감쇄 전반사 FTIR 기법을 이용한 광주광역시 봄철 PM_2.5의 화학적 특성 분석

1. 서 론

대기 중에 존재하는 에어로졸 입자는 탄소성분 (유기탄소와 원소탄소), 무기 이온성분 (NH₄⁺, NO₃^- 및 SO₄^2-), 원소성분 등으로 이루어진 혼합물이다. 특히, 유기탄소 화합물은 지역, 계절, 시간 등에 따라 크게 달라지지만 초미세먼지 (PM_2.5)의 10~90%를 차지하고 있다 (Goldstein and Galbally, 2007; Turpin et al., 2000). 이러한 물질들로 구성된 PM_2.5는 호흡기 질환, 폐암, 심장 질환 등 인간의 건강에 많은 악영향을 미치고 있다 (Lipfert et al., 2018; van Donkelaar et al., 2015; Pope et al., 2009; Miller et al., 2007). 대기 에어로졸 입자의 중요한 물질인 유기화합물이 인간 건강에 미치는 잠재적인 영향은 이 입자들을 구성하는 물질들의 구조와 성분들과 매우 밀접한 관련이 있다. 뿐만 아니라 화학적 조성에 관한 정보는 PM_2.5의 주요 배출 오염원을 식별하고 분류하는 데 매우 중요하다 (Cao et al., 2018). 그러나 에어로졸 내 유기 성분의 정성 및 정량 분석은 미량 수준으로 수많은 다양한 화학종을 함유하고 있기 때문에 매우 어려운 과정이다.

대기 에어로졸 입자를 구성하는 자연적 및 인위적 배출오염원의 기여율 특성을 평가하는 방법으로는 단일 성분 방법 (single element method, Karaca et al., 2008), 다중 성분 방법 (multi element method, Maria et al., 2002), 미세 기법 (microscopic techniques, Bramante et al., 2007), UV 검출 및 질량 분광학적 방법 (Sierau et al., 2003), 단일 입자 분석 기법 (Geng et al., 2009) 등이 광범위하게 사용되고 있다 (McMurry, 2000). 최근에는 대기 에어로졸 입자의 화학적 성분의 특성 평가를 위하여 분석 기구의 적용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부 연구자들은 FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) 분석을 활용한 에어로졸 입자의 정량 및 정성 분석을 수행하였다 (Cao et al., 2018). FTIR 분광법은 에어로졸을 구성하는 복잡한 물질들의 작용기를 정성적 및 정량적으로 식별하기 위하여 각각의 화학 결합 흡수 피크를 제공한다. 특히, 감쇄 전반사 (attenuated total reflectance, ATR)와 결합된 FTIR은 최근에 개발된 샘플링 기술로서 시료의 전처리를 필요하지 않으며 시료가 채취된 필터 상태 그대로 분석할 수 있다 (Anil et al., 2014).

Coury and Dillner (2009)는 미국 Arizona 주 Phoenix의 시골 지역에서 채취한 입경별 에어로졸 입자를 ATR-FTIR을 활용하여 유기화합물의 작용기 및 무기 이온들을 정량화하였다. 이와 같은 방법으로 정량화한 화학적 성분들의 농도는 발생 오염원의 정보와 결합하여 대기 에어로졸 입자의 배출 오염원을 규명하였다. Takahama et al. (2013)은 멕시코 티후아나 남동부 지역에서 FTIR을 이용하여 1.0 µm 이하의 대기 에어로졸 입자 내 alkane, carboboxylic acid, organic hydroxyl, primary amine 및 carbonyl group을 정량 분석하였다. 그리고 이 결과를 활용하여 유기물질 (organic matter)의 농도를 추정하였고 PMF (positive Matrix Factorization) 모델링에 의해 O/C의 비율로 2종의 화석 연료, 바이오매스 연소 및 해양 기원의 오염원들을 확인하였다. 또한 Anil et al. (2014)은 터키 이스탄불에서 사하라 사막에서 발원한 모래 폭풍의 영향이 있는 경우와 없는 경우에 대해서 PM_2.5와 PM_10-2.5의 ATR-FTIR를 분석한 후 이들의 차이를 비교하였다. 분석 결과 사하라 모래 폭풍의 영향을 받은 PM_2.5와 PM_10-2.5에서만 SiO₄^4-와 kaolinite (Al₂Si₂O₅(OH)₄)의 존재가 확인되었으며, 이들을 사하라 사막 모래 먼지의 영향을 파악할 수 있는 정성적인 요소라고 하였다. 뿐만 아니라 Varrica et al. (2019)은 이탈리아 시칠리아에서 사하라 사막에서 발원한 모래 폭풍으로 파생되는 PM_2.5와 PM₁₀의 정성 분석을 ATR-FTIR를 이용하여 수행하였으며, PM_2.5와 PM₁₀에서 사하라 사막 환경의 전형적인 성분인 palygorskite, illite, 그리고 kaolinite를 확인하였다. 이와 같이 ATR-FTIR을 활용한 대기 에어로졸 입자의 정성 분석은 시·공간적 영향에 따른 에어로졸 입자의 화학적 특성 규명을 위하여 사용되었으며, 오염원을 특정할 수 있는 중요한 분석 방법이다. 하지만, 국내에서는 아직 ATR-FTIR을 이용한 대기 에어로졸 입자의 화학적 성분들에 대한 정성 분석에 관한 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 광주광역시 한 도심지역에서 2018년 3월에 PM_2.5를 채취한 후 ATR-FTIR을 활용하여 유기 및 무기 성분들의 화학적 특성을 분석하였다. 또한 PM_2.5의 주요한 탄소 성분과 이온 성분들을 정량화하였다. 궁극적으로 정성 및 정량화된 분석 정보들을 활용하여 광주광역시 봄철 PM_2.5의 배출오염원을 특정하였다.

2. 실험 방법

3. 결과 및 고찰

3. 1 PM_2.5의 화학적 특성

그림 1(a)는 2018년 3월 9일에서 4월 8일까지의 PM_2.5에 존재하는 주요 화학적 구성 성분들의 농도를 보여준다. 그림 1(b)는 PM_2.5 측정 지점에서 약 1.5km 떨어져 있는 두암동 도시대기측정망에서 확보한 일별 NO₂와 CO의 농도를 나타내며, 그림 1(c)와 (d)는 측정 지점에서 약 1.5 km 떨어진 광주지방기상청에서 얻은 일별 기온, 상대습도, 풍속 및 해면 기압이다. 측정 기간 중 PM_2.5의 평균 농도는 28.1 (5.0~92.5) µg/m³이었으며, OC, EC, NH₄⁺, NO₃^- 및 SO₄^2-의 평균 농도는 각각 5.6 (1.4~12.5), 1.1 (0.3~2.5), 4.4(0.4~17.0), 6.5 (0.2~36.4), 5.8 µg/m³ (0.7~16.1)으로 나타났다. 이들의 농도는 PM_2.5의 19.9 (10.5~41.1), 4.0 (1.6~10.2), 15.7 (7.7~19.1), 23.1 (3.0~39.3), 20.7%(9.7~39.7)를 차지하였다. 또한, NO₂와 CO의 평균 농도는 21 (8~37)과 503 ppb (300~821)이었다. 그리고 기온, 상대습도, 풍속 및 해면기압의 평균값은 각각 11.6℃ (2.6~20.8), 73% (48~99), 1.8 m/s (0.9~4.7), 1020 hPa (1012~1026)이었다.

Fig. 1.

Chemical composition associated with PM2.5 and meteorological parameters.

연구 기간 중 환경부에서 고시한 PM_2.5의 24시간 평균 기준치인 35 µg/m³를 초과하는 날 (논문에서 고농도 사례로 규정)은 3월 9일, 3월 11일, 3월 12일, 3월 24일, 3월 25일 및 3월 26일로 각각 55.8, 71.2, 35.6, 92.5, 74.4, 43.1 µg/m³이었다. 그림 2는 3월 9일, 11일, 24일, 25일의 지상 일기도를 보여준다 (그림 2(a)~(d)http://www.weather.go.kr/weather/images/analysischart.jsp). 고농도 현상이 발생한 날의 평균 풍속은 각각 1.1, 1.0, 1.7, 1.2, 1.4, 1.0 m/s이었으며, 해면기압은 1025, 1026, 1022, 1024, 1025, 1021 hPa로 나타났다. 이와 같은 낮은 풍속, 높은 해면 기압, 한반도 주변의 고기압 기압 배치 (그림 2(a)~(d)) 등의 기상 조건들은 공기의 흐름을 악화시킴과 동시에 오염원을 통해 배출된 대기오염물질의 축적과 2차 입자상 물질의 생성을 촉진함으로써 PM_2.5의 농도 증가를 가져올 수 있는 조건들이었다. 또한 PM_2.5의 고농도 기간 중 대기 오염물질의 장거리 이동에 의한 유입 가능성을 살펴보기 위하여 3월 10일, 11일, 24일의 MODIS의 위성 영상을 그림 2(e)~(g)에 나타내었다. MODIS 영상들을 보면 중국 북동쪽에 형성된 연무 층이 한반도로 유입되고 있는 모습이 관측되었다. 이와 같은 기상 조건들과 MODIS 위성 자료에 의하면 광주지역에서 나타난 PM_2.5의 고농도 사례는 국지적 영향과 국외 장거리 이동에 의한 영향이 결합되어 나타난 결과로 설명이 가능하다.

Fig. 2.

Synoptic charts (a~d) on March 9, 11, 24, and 25, and MODIS images (e~g) on March 10, 11, and 24.

Park and Yu (2018)가 동일한 장소에서 2018년 3월 25일~29일까지 조사한 대기 에어로졸 입자의 수용성 성분들 (NO₃^-, SO₄^2-, NH₄⁺, WSOC, HULIS)의 질량 크기분포 역시 매우 증가하였음을 밝혔다. 그리고 PM_2.5의 고농도 사례 발생 시 OC, EC, NH₄⁺, NO₃^-및 SO₄^2-의 평균 농도는 각각 8.8, 1.6, 11.1, 21.1, 11.8µg/m³이었으며, 이들의 평균 농도는 각각 PM_2.5의 14.1, 2.6, 17.9, 33.9, 19.0%를 차지하였다. PM_2.5의 고농도 사례를 제외한 날의 OC, EC, NH₄⁺, NO₃^- 및 SO₄^2-의 평균 농도는 각각 4.8, 1.0, 2.8, 3.0, 4.4 µg/m³로 PM_2.5의 24.1, 5.0, 14.0, 15.0, 22.0%를 차지하였다. 고농도 현상이 발생한 날들의 NH₄⁺, NO₃^- 및 SO₄^2-의 평균 농도는 고농도 현상이 발생하지 않은 날의 평균 농도보다 각각 1.8, 7.0, 2.7배 증가하였으며, PM_2.5에서 차지하는 비율은 각각 1.3, 2.3, 0.9배 증가하였다. OC와 EC의 평균 농도는 각각 1.8, 1.6배 증가하였지만 PM_2.5에서 차지하는 비율은 0.6, 0.5배로 오히려 감소하였다. 이는 연구 기간 중 광주지역에서 PM_2.5의 고농도 현상이 발생 시 나타난 PM_2.5의 농도 증가는 질산암모늄 (NH₄NO₃)의 농도 증가가 중요한 역할을 했음을 의미한다. PM_2.5의 고농도 현상이 발생한 날의 NO₂와 CO의 농도 역시 증가하는 모습을 보여주었다 (그림 1(b)). PM_2.5의 고농도 현상이 발생한 날의 NO₂의 평균 농도는 발생하지 않은 날의 평균 농도보다 약 1.7배 증가하였다. 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이, 일별 NO₂ 농도의 증감은 일별 CO 농도의 증감 추이와 매우 유사하였다. 이는 측정 지점에서 얻은 NO₂와 CO의 농도는 자동차에서 배출된 배기가스와 매우 밀접하게 관련되어 있음을 의미한다. 이러한 결과를 종합해 보면 자동차 운행으로 배출된 NO의 산화에 의해 생성된 NO₂가 낮은 기온, 높은 상대습도, 그리고 낮은 풍속 조건에서 비균질 액상 반응을 통하여 NO₃^-로 전환되어 PM_2.5의 농도 증가를 야기했을 것으로 판단된다.

3. 2 WSOC와 HULIS를 포함한 OC의 배출 오염원 조사

그림 3은 연구 기간 중 측정한 OC의 발생원을 살펴보기 위하여 수행한 OC와 EC (그림 3(a)), HULISC 및 K⁺ (그림 3(b)) 사이의 상관관계를 보여준다. OC 농도는 EC, HULIS 및 K⁺ 농도 사이에 각각 0.75, 0.96, 0.79의 높은 결정계수 (R²)가 확인되었다. 본 논문에는 나타내지 않았지만, OC 농도는 WSOC 농도와 0.91의 높은 R² 값을 보였다. 그리고 바이오매스 연소의 추적자로 알려진 K⁺의 농도는 WSOC와 HULIS 농도 사이에 0.83과 0.78의 높은 R² 값을 가졌다. OC와 EC, WSOC, HULIS 및 K⁺ 사이의 높은 상관성들은 자동차 배기가스와 바이오매스 연소 배출원과 같은 1차 연소 오염원이 OC 농도에 중요한 역할을 했음을 짐작한다.

Fig. 3.

Correlations between (a) OC and EC, and (b) OC, HULIS, and K+.

3. 3 ATR-FTIR을 이용한 PM_2.5 내 존재하는 화학성분 분석

그림 4는 석영 공시료 (blank filter)와 PM_2.5의 최고 농도 (3월 24일), 최저 농도 (3월 20일), 그리고 중간 농도 (3월 22일)를 나타낸 시료들의 FTIR 스펙트럼 분석 결과이며, 그리고 표 1에 기능성 화학적 물질들이 나타나는 피크의 스펙트럼을 정리하였다. 그림 4에서 석영 공시료는 1047 cm^-1와 800 cm^-1에서 강한 피크를 나타내었으며 다른 파장에서는 피크가 나타나지 않았다. 1047 cm^-1의 피크 형상은 SiO₄^4-의 O-Si-O의 비대칭 스트레칭에 의한 것이며 (Muroya, 1999; Allen et al., 1994), 800 cm^-1은 SiO₂의 굽힌 진동 (bending vibrations)의 결과로 나타난다고 하였다 (Ninness et al., 2001; Muroya, 1999). 본 연구에서 얻어진 석영 공시료의 피크들은 다른 연구자들의 석영 공시료에 대한 FTIR 분석 피크와 같은 모양이었다 (Varrica et al., 2019). 연구에서 시료 필터에서 나타난 피크의 분석은 공시료에서 나타난 피크를 제외한 후 이루어졌으며, PM_2.5를 구성하는 화학 성분들의 농도에 따라 피크의 높이와 면적이 다르게 나타났다. 연구 기간 중 채취한 모든 PM_2.5 시료에서 carbonyl group (C=O), organonitrate, NH₄⁺, NO₃^-, SO₄^2-의 존재를 확인할 수 있었다. 반면에 methylene group (C-H)의 피크는 일부 시료에서만 확인되었다.

Fig. 4.

FTIR spectra of three PM2.5 samples. Black line indicates spectra for blank quartz filter. Red, blue and green lines represent FTIR spectra for the highest (March 24), lowest (March 20), and median (March 22) concentrations of PM2.5, respectively.

Table 1.

Typical peak frequency of organic and inorganic molecules and their observed ATR-FTIR spectral frequencies.

3. 3. 1 C-H groups

그림 5는 2910 cm^-1 및 2850 cm^-1에서 피크가 뚜렷이 나타나는 3월 30일의 FTIR 분석 결과이다. 2910cm^-1 및 2850 cm^-1에서 날카로운 형상을 보이는 피크는 alkane의 피크로 methylene group (-CH_2-)의 C-H 스트레칭 흡수 피크와 일치한다 (Pavia et al., 2008). Methyl 및 methylene groups는 식물의 표면을 덮고 있는 왁스 성분 (cuticle)의 연소 과정 (바이오매스 연소)에 의하여 발생된다고 알려져 있다 (Medeiros et al., 2006; Simoneit et al., 2004; Fang et al., 1999; Simoneit, 1985).

Fig. 5.

ATR-FTIR spectra of PM2.5 in the wavenumber of 2300~4000 cm-1 for blank sample (black) and a sample on March 30.

Corrigan et al. (2013)은 러시아 모스크바와 우크라이나 북쪽에서 발생한 산불의 플륨이 핀란드의 히티틀러 지역에 영향을 주었을 때 채취된 시료들로부터 2910과 2850 cm^-1에서 비슷한 피크를 확인하였다. Hawkins and Russell (2010)은 FTIR을 이용하여 alkane, alkene, aromatic C=CH, alcohol, phenol, primary amine, aldehyde, ketone, carboxylic acid 등의 화학 성분을 정량 분석하였으며, 이들 자료를 이용하여 PMF 모델링을 수행하였다. PMF 수행 결과 바이오매스 연소 오염원에서 가장 많은 기여도를 차지한 alkane (48%)이 주 오염물질로 밝혀졌고, alkane의 피크는 methylene groups에서 보이는 2920과 2850 cm^-1에서 나타났다. 또한, Zhang et al. (2020)은 해당 피크 (2910와 2850 cm^-1)를 바이오매스 연소로 인해 배출된 HULIS를 특정할 수 있는 피크라고 밝혔다.

연구 기간 중 2910 cm^-1와 2850 cm^-1에서 뚜렷한 피크를 보이는 경우는 총 9일로 3월 9일, 11일, 24~27일, 29~31일에 나타났다. 해당 피크가 나타난 경우의 HULIS-C 평균 농도는 4.3 µgC/m³으로 피크가 나타나지 않은 경우의 평균 농도 (2.4 µgC/m³)보다 약 1.8배 높았다. 기존의 연구 결과 (Zhang et al., 2020; Hawkins and Russell, 2010)와 본 연구에서 조사된 HULIS의 농도와 해당 피크의 관계로부터 바이오매스 연소 과정이 HULIS의 중요한 배출원이었음을 암시한다.

3. 3. 2 C=O groups

그림 6은 3월 30일에 채취한 시료의 FTIR 분석 스펙트럼 (1500~3000 cm^-1)을 보여준다. 그림 6에서 나타난 1770 cm^-1과 1700 cm^-1 사이에서 넓게 형성된 피크는 ketones, aldehydes 및 carboxylic acid와 같은 carbonyl group (C=O)으로 알려져 있다 (Shaka’ and Saliba, 2004; Allen et al., 1994). 특히 carboxylic acid는 인간 활동 및 생물 기원에 의한 유기화합물들의 광화학 반응으로 생성된다 (Satsumabayashi et al., 1989). FTIR 분석을 통해 확인된 carbonyl group은 보통 인위적 배출원이 다수 존재하는 산업 시설과 도시 지역에서 나타난다고 하였다 (Varrica et al. 2019; Mohiuddin et al. 2015; Anil et al., 2014; Shaka’ and Saliba, 2004). 본 연구에서 FTIR 분석에 의해 확인된 carbonyl group은 차량의 배기가스에 의한 영향이 뚜렷한 측정 지점 (도시 지역)의 대기 에어로졸 입자의 특성을 보여주었다.

Fig. 6.

ATR-FTIR spectra of PM2.5 in the wavenumber of 1500~3000 cm-1 for blank sample (black) and a sample on March 30(red).

3. 3. 3 Organonitrate (R-O-N-O)

그림 7은 3월 9일에 채취한 PM_2.5의 FTIR 분석 스펙트럼을 보여준다. 일반적으로 FTIR 스펙트럼에서 1631, 1278 및 856 cm^-1에서 나타난 피크는 organonitrate 성분으로 간주하였다 (Allen et al., 1994). 그림 7을 보면 organonitrate의 존재를 확인할 수 있다. 1631cm^-1 주변에서 보이는 넓은 피크는 organonitrate 뿐만 아니라 aromatic amide 및 amine organic functional group에서도 나타나는 피크이며 (Day et al., 2010), organonitrate를 특정하기 위해서는 1278과 856 cm^-1의 피크도 확인하여야 한다. 또한, 시료에 물이 존재함으로써 나타나는 1620 cm^-1 주변의 피크는 1631cm^-1에서 나타나는 피크와 겹침 현상으로 인해 구체적인 화학 성분을 특정하기가 어렵다.

Fig. 7.

ATR-FTIR spectra of PM2.5 in the wavenumbers of 2500~1500 cm-1 and 1000~400 cm-1 for blank sample (black) and a sample on March 9 (red).

본 연구에서 수행한 FTIR 분석 결과에 의하면 1631cm^-1 근처에서 피크를 확인하였지만, 보통 물에서 나타나는 피크 파장인 3620, 3400~3200 및 1620 cm^-1에서 1620 cm^-1을 제외한 나머지 파장에서는 피크가 보이지 않았다. 그리고 여러 연구에 의하면 물에 의한 피크의 발현은 2.5~10 µm 크기의 조대 입자 또는 토양기원 오염원이 존재 시 나타나는 것으로 확인되었다 (Varrica et al., 2019; Anil et al., 2014). 위에서 언급한 연구 결과와 FTIR 분석에 사용된 필터 시료들은 분석 전에 시료들을 충분히 건조시킨 후 사용하였기 때문에 본 시료에서 1631 cm^-1 주변의 파장에서 확인된 피크는 물보다는 organonitrate에 해당하는 것으로 판단했다. Organonitrate를 확실하게 특정하기 위하여 1631 cm^-1의 피크뿐만 아니라 1278과 856 cm^-1의 피크도 살펴보았다. 그림 7에서 1278 cm^-1의 파장에서 피크가 확인되지 않았으나, 이는 석영 공시료에서 나타나는 1047 cm^-1의 피크와 겹침 현상에 의한 것으로 판단되며, 878~865 cm^-1에서 나타나는 피크를 확인하였다.

Organonitrate의 생성 과정은 낮 시간대에는 화석 연료의 사용에 의하여 대기 중에 배출된 휘발성 유기화합물이 OH·또는 O₃와의 반응을 통하여 생성되거나, 야간 시간대에는 NO₃·과 alkene의 반응으로 생성된다고 보고되고 있다 (Lim and Ziemann, 2009; Matsunaga and Ziemann, 2009; Roberts, 1990). 그러나 본 연구에서는 PM_2.5의 시료 채취가 24시간 동안 이루어져 organonitrate의 낮과 밤의 생성 과정을 논의할 수 없었다.

3. 3. 4 무기 이온성분들

그림 8은 3월 24일에 채취한 PM_2.5의 FTIR 분석 스펙트럼을 보여준다. 그림을 보면 2차 무기 이온성분들 (NH₄⁺, NO₃^- 및 SO₄^2-)의 피크가 뚜렷하게 나타난 경우이다. 3213~3191, 3048~3040 및 1425~1417cm^-1에서 나타난 피크는 NH₄⁺이다. 3048~3040 cm^-1에서 나타난 피크는 NH₄⁺의 N-H 결합의 신축 진동에 의한 것 (Allen et al., 1994)으로 피크의 형상이 매우 약한 반면, 1425~1417 cm^-1에서 보이는 피크는 NH₄⁺의 변형에 의한 것으로서 피크가 강하게 나타나는 특성을 보였다 (Maria et al., 2003; Allen et al., 1994). Allen et al. (1994)에 의하면 PM_2.5에서 NH₄⁺의 FTIR의 빛 흡수에는 황산과 반응을 통해 생성된 (NH₄)₂SO₄와 NH₄HSO₄이 중요한 역할을 하며, PM₁₀의 경우에는 NH₄NO₃ 역시 FTIR의 빛 흡수에 기여한다고 하였다. 정리하면, 대기 입자 내 음이온의 종류와 구성 비율이 FTIR의 빛 흡수에 영향을 준다고 할 수 있다. 1356~1331 cm^-1에서 나타난 피크는 NO₃^-로 NH₄NO₃의 NO₃^-가 835~825 cm^-1 및 1335~1318cm^-1에서 피크를 나타낸다 (Allen et al., 1994). 또한, 순수한 염 상태의 NH₄NO₃는 713, 1040, 그리고 1752cm^-1에서도 약한 피크를 보이지만, 일반 대기 에어로졸에서는 피크가 보이지 않는다고 하였다.

Fig. 8.

ATR-FTIR spectra of PM2.5 in the wavenumber range of 4000~450 cm-1 for blank sample (black) and a sample on March 24 (red).

연구 기간 중 채취한 PM_2.5에서는 1356~1331 cm^-1의 피크만 보였으며, 835~825 cm^-1의 피크는 석영 공필터에서 나타난 800 cm^-1의 강한 피크와의 겹침 현상으로 인하여 나타나지 않은 것으로 판단하였다. 672~599 cm^-1의 피크는 SO₄^2-의 존재에 의해 나타난 스펙트럼이며 일반적으로 (NH₄)₂SO₄의 SO₄^2-에 의하여 615~612 cm^-1 및 1135~1103 cm^-1에서 피크를 나타낸다.

4. 요약 및 결론

연구에서는 광주광역시에서 2018년 봄철 PM_2.5의 화학적 특성을 조사하기 위하여 ATR-FTIR 분석을 수행하였다. 24시간 PM_2.5의 시료 채취는 2018년 3월 9일부터 4월 8일까지 이루어졌으며 채취된 시료들은 OC, EC, WSOC, HULIS 및 8종의 이온 성분과 FTIR 분석을 수행하는 데 사용하였다.

연구 기간 중 PM_2.5, OC, EC, NH₄⁺, NO₃^- 및 SO₄^2-의 평균 농도는 각각 28.1, 5.6, 1.1, 4.4, 6.5, 5.8 µg/m³으로 나타났다. PM_2.5의 24시간 평균 기준치를 초과하는 고농도 사례 시 NH₄⁺, NO₃^- 및 SO₄^2-의 평균 농도는 비 고농도 시의 평균 농도보다 1.8, 7.0, 2.7배 증가하였다. 그리고 PM_2.5에서 차지하는 비율은 각각 1.3, 2.3, 0.9배 증가하였다. PM_2.5의 고농도 현상이 발생한 날의 기상 조건은 낮은 기온, 낮은 풍속 및 높은 해면 기압을 보였으며, 이러한 조건하에서 대기오염물질의 축적과 2차 에어로졸 입자의 생성이 증가하여 PM_2.5의 농도 상승을 가져왔을 것이다.

OC와 HULIS 및 K⁺의 상관관계는 매우 우수하였으며 (각각 R²=0.96, 0.79), HULIS와 K⁺의 상관관계도 우수하였다 (R²=0.78). 이러한 결과는 측정 기간 생성된 OC가 바이오매스 연소 배출에 의한 오염물질의 영향을 받았음을 암시한다. 연구 기간 중 OC 농도와 EC, WSOC, HULIS 및 K⁺ 농도 사이에서 확인된 높은 상관관계 (R²=0.75~0.96)는 측정된 OC 농도는 1차적으로 자동차 배기가스뿐만 아니라 바이오매스 연소 오염원에 의해서도 영향을 받았음을 암시한다.

ATR-FTIR 분석 결과, 모든 PM_2.5의 시료에서 carbonyl group (1770~1700 cm^-1), organonitrate (1637~1630, 878~865 cm^-1), NH₄⁺ (3213~3191, 3048~3040, 1425~1417 cm^-1), NO₃^- (1356~1331 cm^-1), 그리고 SO₄^2- (672~599 cm^-1)의 존재가 확인되었다. 또한, 측정일 중 약 30%에 해당하는 9일의 PM_2.5의 시료에서 바이오매스 연소의 결과로 나타나는 methylene group (2910, 2850 cm^-1)의 피크가 관찰되었다. 결론적으로 PM_2.5의 ATR-FTIR 분석에 의해 광주 도시 지역 대기 입자의 특성을 보이는 carbonyl group과 바이오매스 연소의 영향이 나타나는 methylene group의 존재를 확인하였다. PM_2.5의 주요한 화학적 성분의 정량 분석과 FTIR을 이용한 분광학적 방법의 결합은 광주지역 PM_2.5의 배출원을 더 구체적으로 특정할 수 있는 가능성을 보여주었다.

Acknowledgments

이 논문은 2017년도 정부 (교육부)의 재원으로 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (NRF-2017R1D1A3A03000511).

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