대기 중의 미세먼지는 발암성 등 유해성이 문제되어 그 농도를 모니터링할 필요성이 크지만 단일화학성분이 아니므로 물리화학적 특성을 이용하여 그 농도를 알기가 어렵습니다. 또한 입자의 갯수가 너무 많고 크기가 너무 작아 신속하고 정확한 측정이 쉽지 않습니다.
측정방법은 첫째 여과지를 이용하는 방법이 있고 둘째 빛을 입자에 쏘아 산란되는 산란광을 측정해 분석하는 방법이 있습니다. 여과지를 이용하는 방법은 여과지에 공기를 통과시켜 미세먼지를 거른 후 무게를 측정하는 방법(중량법), 미세먼지가 쌓인 여과지에 빛(베타선)을 쏘아 흡수되는 정도를 측정하는 방법(베타선흡수법)이 있습니다. 그리고 미세먼지 입자에 의한 빛의 산란을 측정하는 방법은 광산란법이라고 부릅니다. 현재 미세먼지를 측정하는 가장 널리 쓰이는 방법은 베타선흡수법입니다. 간이측정기는 보통 광산란방식을 이용해 측정하는 측정기로, 습도, 온도, 풍속 등 기상 조건이나 환경변화, 오류에 취약하여 신뢰성이 낮은 측정기입니다
여과지를 이용하여 공기를 여과하여 미세먼지를 측정하기 위해서는 측정 대상 공기 내부에 측정하고자 하는 입자보다 큰 입자를 미리 제거한 후 여과지로 여과해야합니다. 이러한 조작을 입경분리라고 합니다.
입경분리는 공기역학적으로 이루어집니다. 즉 입경이 큰 입자는 관성력, 침강력, 원심력이 크게 작용하므로 유속을 조정하여 이러한 힘들을 조절함으로서 원하는 입자를 제거할 수 있습니다. 실제의 입자 크기에 따라 입경이 정확하게 분리되는 것이 아니고 공기역학적 특성에 따라 입경이 구분되는 것입니다. 이렇게 구분되는 입자의 크기를 공기역학적 직경이라고 합니다. 대기오염도에서 언급되는 입자의 직경은 대부분 공기역학적 직경입니다. 보다 명확히 정의하자면 공기역학적 직경은 측정하고자 하는 입자상의 물질과 동일한 침강속도를 가지며 밀도가 1g/cm3인 구형입자의 직경입니다.
즉 대기중의 입자가 그 크기와 밀도에 따라 침강속도, 관성력이 달라지는 현상을 역으로 이용하여 입자의 직경을 정의하는 방식입니다. 즉 어떤 입자가 특정한 침강속도, 관성력을 가진다면 그 입자를 특정한 크기를 가지는 단위 밀도(1g/cm3, 물의 밀도)의 구형 입자로 정의해버리는 것입니다. 공기역학적 직경은 실제의 입자직경과는 다르지만(예를 들어 밀도가가 큰 입자의 경우 공기역학적 직경은 실제보다 커짐) 현실적으로 현장에서 응용할 수 있는 기술이 공기역학적 직경 밖에 없습니다.
아래는 관성충돌 입경분리장치인데 큰 입자는 관성력이 커 직진하여 충돌판에 충돌하여 포집되어버리고 작은 입자는 공기의 흐름에 따라 충돌없이 흘러가 여과지에 포집되게 됩니다.
아래는 사이클론식 입경분리장치인데 큰 입자는 원심력을 받아 아래로 퇴적되고 작은 입자는 공기 흐름에 따라 위로 흘러가 여과지에 포집되게 설계되어 있습니다.
1. 중량법
중량법은 24시간동안, 입경분리된 공기를 여과지로 보내어 입자를 포집하고 여과지의 전후 무게차를 측정하는 방법입니다. 가장 간단하지만 가장 정확한 방법입니다. 하지만 미세먼지의 농도는 시시각각 변할 수 있는데 이러한 변화의 추세는 파악하기 어려우며 자동시스템 구축이 어려운 단점이 있습니다. 주로 실내공기질 검사나 다른 측정기기의 보정 등에 활용되는 방법입니다. 그리고 채취된 미세먼지 시료를 물리적, 화학적으로 분석하기 위한 목적으로도 활용됩니다. 중량법은 채취하는 공기의 양에 따라서 하이볼륨 샘플러(high volume sampler)와 미니볼륨 샘플러(low volume air sampler)로 분류됩니다.
아래 사진은 중량법 장비의 입경분리장치입니다. 그런데 PM10 입경분리장치는 1단계로 입경을 분리하는 경우가 많지만 PM2.5의 경우에는 1단계에서 PM10 이상의 입자를 제거하고 2단계에서 PM2.5 이상의 입자를 제거하는 구조로 되어있는 경우가 많습니다.
아래사진은 여과지와 여과지를 끼우는 여과지 카세트, 관성력에 따른 입자충돌 유도장치인 임팩터입니다. 입경분리장치에 내부에 있는 부속품들입니다.
임팩터 가운데 구멍이 작을수록 유속이 강해지고 작은 입자도 관성력이 증가되어 제거됩니다. 자세히 보시면 PM10임팩터의 구멍이 PM2.5임팩터의 구멍보다 더 큰 것을 볼 수 있습니다.
아래 노란색 부분이 충돌판이고 가운데 약간 검게 보이는 부분이 충돌로 제거된 큰 먼지들입니다.
2. 베타선흡수법
여과지에 포집된 미세먼지의 농도를 무게로 측정하는 것이 아니라 베타선을 조사하여 베타선이 여과지 위에 채취된 먼지를 통과할 때 흡수 소멸하는 베타선의 차로서 미세먼지 농도를 측정하는 방법입니다.
보통 1시간동안 여과지에 미세먼지를 모은 후 베타선을 비추어 측정하게 됩니다. 현재 우리나라를 비롯한 전세계의 대기 미세먼지 측정은 대부분 베타선흡수법으로 이루어집니다.
베타선이란 방사선의 일종인데 어떤 물질을 통과할 때, 그 물질의 질량이 커질수록 베타선의 세기가 감쇠하는 성질이 있으며 방사선이지만 비교적 안전하기 때문에 측정에 활용되고 있습니다.
베타선흡수법은 1시간 간격으로 미세먼지를 연속적으로 측정할 수 있는데, 그러기 위해서 여과지를
등근 것을 사용하지 않고 테이프 형태로 말려 있는 기다란 여과지를 사용합니다.
아래사진은 베타선흡수법에 의한 미세먼지 측정장치의 내부입니다. 입경분리된 공기는 1번 위치에서 여과지에 포집되고 1시간동안 포집된 후 2번으로 이동되어 베타선을 조사해서 미세먼지 농도를 측정합니다. 베타선은 먼지가 포집된 여과지를 통과하는데, 먼지가 많을수록 투과하는 베타선의 양이 줄어드는 원리를 활용하여 검출기에서 먼지를 정량합니다. 측정이 끝난 테이프 부분은 다시 왼쪽으로 이동하게 됩니다. 이러한 과정이 1시간 간격으로 반복되게됩니다. 측정값은 통신망을 통해 전송됩니다.
3. 광산란법
광산란법은 미세먼지가 포함된 공기에 빛을 조사하면 입자에 의해 빛이 산란하게 되며 이때의 산란광의 양은 입자 농도에 따라 증가한다는 원리를 이용하여 미세먼지를 측정하는 방법입니다. 광산란법의 장점은 실시간 현장측정이 가능하고 장비의 크기가 작고 측정비용이 저렴하다는 점입니다. 또한 PM2.5, PM10 등을 별도의 장비가 아닌 1개의 장비를 이용하여 측정이 가능하다는 것도 장점입니다. 그런데 이렇게 장점이 많지만 공식적인 데이터를 측정하는 곳에서는 사용되지 않습니다. 그 이유는 결과값이 부정확하여 신뢰할 수 없기 때문입니다. 공기청정기 등에 부착되거나 쇼핑몰 에서 판매되는 저렴한 미세먼지측정기는 대부분 광산란방식의 측정기입니다. 따라서 이러한 제품의 미세먼지 농도는 신뢰하기 어렵습니다.
현재 미세먼지 측정에 베타선법흡수법이 주로 사용되고 있지만 측정에 너무 많은 비용이 소요되고 있습니다. 여과지도 대부분 수입품으로 가격이 롤당
10만원을 상회합니다. 기계비용, 부품비용 등 막대한 비용이 미세먼지 측정에 소모되고 있습니다. 각 지자체는 묻지마식으로 경쟁적으로 수많은 측정소를 설치하고 있습니다. 물론 측정자료가 많으면 정책에 도움이 되겠지만 결국 필요한 것은 미세먼지 저감입니다. 저감의 방법은 이미 답이 나와있습니다. 친환경에너지 정책, 중국과의 환경협력이 필요합니다.
환경부와 지자체는 이러한 본질적인 부분에 좀 더 예산을 집중해야된다고 생각합니다. 이런 본질적인 부분을 회피하기 위해 비본질적인 부분으로 주의를 분산시키는 행정은 없어야겠습니다.
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