실시간 질량분석기(SIFT-MS) 장착 이동측정시스템을 이용한 유해대기오염물질 배출원 감시 및 추적에 관한 연구

Abstract

대기 중 유해대기오염물질(Hazardous Air Pollutants, 이하 HAPs)는 호흡을 통하여 인체에 직접적으로 피해를 줄 수 있으며, HAPs를 다량 취급하고 있는 산업단지 등에서 관리 소홀로 인해 대기 중으로 비산될 경우 인근 주민에게 영향을 줄 수 있으므로 대기 중 HAPs 실태 파악은 매우 중요하다.

본 연구에서는 실시간 질량분석장치(Selective Ion Flow Tube Mass Spectrometry, 이하 SIFT-MS)를 탑재한 이동측정시스템을 활용하여 대기 중 HAPs 모니터링 방법을 연구하였다. SIFT-MS의 신뢰성은 장치배경농도 조사, 표준물질을 활용한 정확성 평가, 현장비교실험 등을 통해 검증하였다. 국내 대표적인 산업단지 2개소를 대상으로 SIFT-MS를 차량에 탑재한 이동측정시스템을 활용하여 고정지점측정 및 이동측정을 통해 대기 중 HAPs의 시간적 변화특성 및 공간적 분포특성을 연구하였다. 현장 측정을 통해 조사된 데이터의 통계처리 기법을 제시하고 산업단지 대기 중 HAPs 오염지도 작성을 통하여 배출원을 추적하고자 하였다. 이들 연구 결과로부터 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.

첫째, SIFT-MS로 측정한 99.999% 고순도 N2가스의 HAPs 물질별 평균 배경농도는 0.1∼16.1 ppbv로 조사되었다. 이러한 결과는 SIFT-MS 장비 상태에 따라 배경농도가 변화될 수 있고, 주기적으로 조사할 필요성이 있음을 시사한다. 표준물질을 활용한 정확성 평가결과, 저농도, 중농도, 고농도 구간에서 각각 7.8%, 1.4%, 0.9%의 오차율을 보였으며, 직선성 및 반복성 평가결과는 각각 2.1%, 1.3%로 평가기준인 직선성 5%, 반복성 2% 이내로 나타났다. GC/FID 자동측정 방법을 활용한 현장 비교시험 결과, 다수의 물질이 높은 상관성을 보였지만, GC/FID 측정값이 방법검출한계(method of detection limit, 이하 MDL) 이하인 물질이 많아 통계학적으로 유의미한 비교가 어려웠다. SIFT-MS의 반응속도 상수(k-factor)에 대한 조사결과, 보정 전 k-factor에 의한 표준물질 농도 대비 물질별 오차율 범위는 0.9～38.3%로 조사되었으며, k-factor 보정 후 시험에서는 표준물질 농도 대비 물질별 오차율 범위는 0.0～5.0%로 조사되었다.

둘째, SIFT-MS를 장착한 이동측정시스템을 이용하여 2개의 산업단지를 대상으로 산업단지 대기 중 HAPs 분포특성을 연구하였다. 측정항목은 대기환경보전법에서 비산배출시설 관리대상물질로 관리하고 있는 46종 중 SIFT-MS에서 분석이 가능한 가스상 25종을 대상으로 하였다. 고정지점에서의 측정은 산업단지별로 3개의 측정지점을 선정하고 각 측정지점에 이동측정시스템을 정차시킨 후, SIFT-MS를 가동하여 지점별로 약 24시간 연속적으로 측정을 하였다. 이동측정은 산업단지 내부 도로를 주행하면서 대기 시료를 실시간으로 측정하였다. A 산업단지의 주요물질은 Methanol, Propylene oxide, Chloroform+Dichloromethane, MTBE로 나타났다. 각 측정지점에서 평균농도가 가장 높은 물질은 Methanol로 각각 6.7ppbv, 33.1ppbv, 18.3ppbv로 조사되었으며 측정지점별 최대 농도는 site 1은 Ethylene oxide가 85.3ppb, site 2는 Methanol이 467.3ppbv, site 3에서는 MTBE가 233.2ppbv로 조사되었다. B 산업단지에서는 Methanol, Propylene oxide, Butanone(MEK)이 주요 물질로 측정되었다. 측정지점별로 평균농도가 가장 높은 물질은 site 1은 Propylene oxide 12.8ppbv, site 2는 Butanone(MEK) 23.7ppbv, site 3은 Methanol 16.9ppbv로 조사되었다. 최대농도를 살펴보면 Site 1에서는 Propylene oxide가 138.5ppb, Site 2는 Toluene 1,215.3ppbv, Site 3는 Methanol 332.1ppbv로 조사되었다. 화학물질 배출이동량 정보시스템(Pollutant release and transfer register, 이하 PRTR)(MOE, 2017)을 해당 지역과 교차검증한 결과, 측정지점 주변에 HAPs 취급 사업장의 존재가 확인되었으며, 지점별 농도차이는 측정지점 주변 지역 사업장의 취급물질과 운영공정 등 배출조건에 영향을 받고있는 것을 나타낸다. 고정지점 측정(Stationary Measurement)은 연속적인 오염특성 파악 가능하고 주간‧야간 오염물질 거동 파악한 장점이 있었지만, 측정지점별로 차이가 나타나고 있어 산업단지를 대표할 수 있는 지점 선정이 어려웠으며, 측정지점 주변의 일부 제한된 오염물질 특성만 파악되는 등 전체적인 공간분포 파악이 곤란한 단점이 있었다. 이동측정(Mobile Measurement)은 산업단지 내부의 모든 도로를 측정하여 측정지역의 공간적인 농도분포 확인이 가능함에 따라 동일 구간에 대하여 주기적으로 장기간 측정할 경우, 산업단지 대기 중 HAPs 농도분포에 대한 대표성 및 객관성을 높일 수 있어서 산업단지 HAPs 오염도를 평가하는데 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

셋째, 이동측정시스템 측정자료에 대한 통계분석 및 격자형 HAPs 오염지도를 작성하여 산업단지의 HAPs 오염특성의 시각적인 평가와 고농도 오염구역(Hot-Spots)을 확인할 수 있었다. PRTR 자료 및 비산배출시설 설치신고에 따른 사업장별 HAPs 취급정보를 이용하여 주요 배출원을 추적할 수 있으며 국가 유해대기측정망 설치지점 선정시 HAPs 오염지도를 활용할 경우 대표지점 선정 등에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구는 최신 분석장치인 SIFT-MS 이동측정시스템을 이용해 산업단지의 HAPs 오염도를 다양한 방법으로 평가하고 활용방안을 제시한 것에 의의가 있다고 판단된다. 향후 SIFT-MS의 활용성 확대를 위해서는 일부 이성질체 물질과 분자량이 매우 유사한 일부 물질들은 분리가 되지 않기 때문에 측정결과를 이용한 개별 오염물질별 규제가 어렵고, 위해성 평가 자료로 활용이 곤란하므로 이에 대한 해결방안 마련이 필요하다. 표준가스를 이용한 k-factor 보정, 상대검량 절차확립 등 정도관리방안 구축이 필요며, 배경농도가 높게 측정된 Formaldehyde 와 Ethylene oxide 등 일부 물질에 대해서는 향후 적극적인 배경농도 원인규명과 최소화 방안이 마련되어야 한다. 마지막으로 이동측정 결과의 대표성 및 객관성을 높이기 위하여 측정자료 통계처리 방법 등에 대한 추가적인 연구가 필요하다.