SO2 Volume Mixing Ratio Retrievals from industrial stack emissions using scattered sunlight with a UV-Vis spectrometer

Abstract

산업단지에서 배출되는 대기오염물질은 일반적으로 혼합비과 배출량을 기준으로 규 제되고 있다. 이에 따라 UV-Vis 분광 기반의 대기오염물질 산출 연구가 계속 수행 되고 대기 중 이산화황(SO₂) 또한 수평 및 수직 분포를 관측하는 적용되고 있으나 산업단지 굴뚝에서 배출되는 이산화황의 혼합비를 추정하거나 산출하여 in-situ 데이터와의 비교 검증에 대한 연구는 많이 부족하다. 본 연구에서는 지상 기반 자외 선 및 가시광선 파장 범위에서 직달광 및 다중축 측정을 수행하는 장비인 AQ-Profiler를 이용하여 경상남도 함안군(2022년 8월)과 김해시(2023년 11월)의 굴뚝에서 관측을 수행하여 연구 자료를 획득하였다. 이산화황 경사층적분농도 산출 을 위해 굴뚝 관측 자료 분석에 최적화된 피팅 파장 범위 및 흡수단면적을 이용한 차등흡수분광법(Differential Optical Absorption Spectroscopy; DOAS) 기반의 이산화황 경사층적분농도 산출 알고리즘을 적용하였다. 굴뚝에서 배출되는 이산화 황 플룸의 관측 광경로를 계산하여 산출된 이산화황 경사칼럼농도를 혼합비로 변환 하였다. 본 연구는 산출된 이산화황 혼합비와 굴뚝에서 직접 측정되는 in-situ 황산 화물 (SOX) 측정값 간의 상관관계를 처음으로 조사하였다. 산출된 이산화황 혼합비와 in-situ 황산화물 측정값 간의 상관계수(R)는 0.4 ~ 0.7로 풍속을 엄격히 제한할 수록 높은 상관성을 보였다. 추가적으로, 이산화황 경사칼럼농도와 이산화황 혼합비와 기상 데이터 등을 입력 변수와 in-situ 황산화물 관측값을 독립 변수로 사용하 여 in-situ 황산화물 혼합비를 예측하는 다중회귀분석 방식의 모델을 개발하였다. 예측된 황산화물 혼합비와 in-situ 측정값 간의 상관관계는 R이 0.8로 산출된 이산 화황 혼합비와 in-situ 측정값 간의 비교보다 더 높은 상관성를 보였다. 본 연구의 결과는 자외선과 가시광선 파장 범위에서의 분광 기반 기술이 기상 데이터와 같은 보조 데이터와 함께 활용될 경우에 굴뚝에서의 in-situ 황산화물 혼합비을 추정하 는 신뢰할 수 있는 방법을 제공할 수 있음을 시사한다. 본 연구를 통해 굴뚝 관측 에서 TMS 관측 자료와의 일치성을 이해하고 TMS 관측이 시행되지 않는 굴뚝에서 배출되는 이산화황 혼합비를 추정하여 원격 모니터링할 수 있을 것으로 기대된다.