입자의 크기를 정하는 방법

• 구형 입자의 크기는: 구의 직경으로 표시.

• 비구형의 경우, 보는 방향에 따라 크기가 달라질수 있음. (원통형의 입자 의 경우, 보는 방향에 따라 원통의 길이, 원의 직경이 입자의 직경으로 오인 될수 있음)

• 또한 입자의 밀도도 다양하여 0.5~6.5g/cm³ 정도임

입자의 크기를 정하는 방법

▶ 기하학적 특성에 의한 입경

- 현미경적 방법을 이용 : 광학직경 (optical diameter) - 투영된 입자의 모양이 원형이 아닐 경우

1. 분진의 최장, 최단 크기를 직경으로 정의하거나

2. 분진을 여러방향으로 나누어 측정된 값을 산술평균하여 정의 3. 그외 기타 여러 방법이 있음

※ 입자의 측정위치에 따라 투영면적이 달라지기 때문에 크기 산출이 어려움

▶ 운동특성에 의한 입경(역학적 방법)

- 대기오염학에서 분진 크기를 산정할때 주로 이용.

- 비구형 입자의 경우 역학적 형상계수 (dynamic shape factor)를 보정계수로 사용한 “등가직경”을 입자의 직경으로 정의

- 등가직경 (equivalent diameter) : 비구형 입자와 믈리적 특성치가 같은 구형 인 입자를 가정하고 그 구형입자의 크기를 직경으로 표시한 값

- 역학적 등가직경은 (1) Stokes 직경 (2) 공기역학직경 (aerodynamic diameter)로 세분됨

-Stokes 입경 (d

): 원래의 입자와 침강속도(V

)와 밀도( ρ

)가 동일한 가상의 구형입자의 입경 ( ρ

= ρ

)

- 공기역학(aerodynamic)입경(d

) : 원래의 입자와 침강속도(V

)가 같은 단위밀도( ρ

=1 g/cc)를 갖는 가상의 구형입자의 입경

µ ρ µ

ρ µ

ρ

18 18

18

2 2 2

g d g

d X

g

v

=

d

=

=

ρ_p ρ_p

d_s d_a

ρ_a

V_t V_t V_t

여기서 g 는 중력가속도 μ는 공기의 점성계수,

X는 무차원인 역학적 형상계수 (구형 1, 석영 1.36, 모래 1.57, 정방형입자 1.08) ρ는 밀도, d는 직경,

Stokes 직경 공기역학직경

 입자의 밀도 가 1보다 크면, 공기역학직경 이 stokes직경 보다 크다.

비구형입자

예제) 비구형 입자의 직경이 5 µm, 밀도가 4

g/cm ³ 이며, X는 석영입자와 같은 1.36이다. 공기의 점도는 섭씨 20도, 1기압에서 1.81x10 ^-4 이면,

stokes 직경과 공기역학직경을 구하라.

• 1. stokes 직경 (ds) • 2. 공기역학직경 (da)

Hinds, 1999

Rain drop

Cooper and Alley, 2002

입자상 물질의 밀도 (density)

• 입자상 물질의 밀도는 0.5 ~ 6.5 g/cm3이나, 보편적으로는 1~2 g/cm3임.

• 밀도는 각 입자의 화학적 구성을 바탕으로 추정함.

• 특징: 분쇄된 미세입자의 경우 분쇄되기 전 집단입자의 밀도와 같다고 가정함.

- 하지만, 휘발성 강한 입자는 주변 온도에 따라 밀도가 변할수 있음.

- 포도송이같은 응집구조(smog와 fume)의 입자는 추정된 것보다 밀도가 작게 나옴 (입자 사이에 많은 공극이 존재하기 때문)

입자상 물질의 비중 (specific gravity)

• 물의 밀도에 대한 입자상 물질의 밀도비

• 입자의 운동특성을 이용하는 저효율 집진장치 성능에 중요한 영향

• 물의 밀도는 1이므로 입자상 물질의 비중과 밀도는 서로 동일

입자상 물질의 밀도

1) 겉보기밀도 : 체적을 알고 있는 용기에 분체를 담아 질량을 측정함으로써 단위체적당 질량 을 계산된 밀도

2) 입자밀도 : 입자의 표면을 액체에 침적시켜 입자간에 포함하고 있는 기포를 충분히 제거하 면, 액체는 입자표면의 균열이나 세공에는 침투하지 못한다. 이 상태에서 입자에 의해 배제 된 액체의 체적을 말한다.

3) 진밀도 : 입자내의 세공, 고립된 공동 및 입자간의 공간을 완전히 배제한 순수 고체입자의 부피를 측정하여 계산된 밀도

입자상 물질의 비표면적 (specific surface area)

구형입자의 표면적 (4ㅠr

) ㅠdp

6

• Sv = = =

구형입자의 체적 (4/3 ㅠr

) ㅠ/6dp

dp

- 입자의 부착성을 설명 : 입자의 비표면적이 클수록 부착성 ↑

입자상 물질의 농도 (concentration)

• 질량농도 ( µg/m

) – 대기환경기준 (TSP, PM10, PM2.5 등)

• 개수농도 ( /cm

)

- 개수농도는 주로 분진의 크기별 양을 알아보고자 할때 쓰임 (예: 1

µm단위로 구간을 나누어서 구간별 개수를 측정함)

#

size

대기중 입자상 물질의 크기 분포

ultrafine

fine

coarse

(입경, µm)

0.1 2.5 10

0.02

기계적 분쇄과정

• 토양먼지

• 시멘트먼지

• 석탄먼지

• 브레이크마모

• 잎사귀 분쇄물

응집

응축과정

• 대기중 반응

• 연소

축적과정

• 연소

• 응집

• 입자상물질의 응집

• 대기 중 반응

Primary aerosol

Secondary aerosol

<에이트켄 (Aitken) 입자>

<미세(Fine) 입자>

<조대(Coarse) 입자>

※ 부착 (adhesion) : 이종 물질간 상호 결합 응집 (coagulation) : 동종 물질간 상호 결합

입자의 부착 및 응집에 관여하는 요인

• 분자간에 작용하는 인력 (Van Der Waals force)

• 정전기적 인력

• 입자 표면의 수분에 의한 힘

• 기체의 브라운 운동에 의한 확산력 (diffusion force)

입자상 물질의 폭발성

• 입자의 대전에 의해 불꽃이 발생하거나 다른 에너지가 가해지는 경우 (dust explosion)

• 입자 크기가 100um 이하인 입자인 경우 폭발 위험성이 큼

2. 화학적 특성

• 인체및 재산상 영향이 큰 무기금속원소 Cd (카드뮴), Pb(납), Hg(수은), Zn(아연), As(비소), Si(실리콘, 규소) 등의 원소분석부터 시작하여, 이온, 유기물 등 다양한 화학분석이 이루어짐.

• 화학분석의 의의: 인체에 유해한 물질의 존재여부

판단에서부터, 특정 물질의 조사를 통하여 오염원 분석, 에어러솔의 생성 메카니즘 분석이 가능.

PM2.5 성분 조성

http://www.pca.state.mn.us/artwork/indicators/0603-figure4.gif

조성: Ions (SO₄^-2, NH₄⁺, NO₃^-, 그외 (Na⁺, Cl^-, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺)), OC (Organic Carbon), EC (Elemental Carbon),

etc (중금속 등)

• OC: Organic Carbon

- 화석연료 또는 biomass burning 에서 배출, 일차적 또

는 이차적 오염원

• EC: Elemental Carbon

- 숯, 검댕. 등 탄소 배출원에 서의 일차적 배출.

• Soil: Mg²⁺, Ca²⁺ 등 토양기원 (황 사 등)

• Unknown: 중금속, 해양입자 등 미량이거나, 그 당시 분석하지 않 았거나, 등등…

• Ammonium, Sulfate, Nitrate: 인 위적 도시 배출원

Finlayson-Pitts and Pitts, 2000

미세입자의 화학적 조성

Friedlander, 2000 대륙과 해양기원의 입자 크기 비교

입자상 물질의 크기 및 화학적 조성

원소의 조성

1. 대륙 거대입자 (주로 토양기원) : Ca, Si, Al, Fe, K, Ti, Sr 등  대륙, 토양에서 이동된 air mass임을 보여줌.

2. 대륙 미세입자 (주로 산업배출) : 탄화수소류, SO₄^2-, NO₃^-,NH₄⁺ 등

Cd, Pb, Hg, Zn, As, Mn 등 중금속  대륙에서의 가스상물질이 이동해오는 과정, 또는 현재 지역에서 오래 존재하면서 이차적으로 생성된 것임을 보여줌

3. 해양 기원 (주로 거대입자) : Na, Cl, SO₄^2-, Mg 등  바다쪽에서 온 공기임을 보여줌.

입자상물질의 환경영향

• 기관지 및 폐에 침적.

• 특히, 미세먼지일수록 중금속, 독성탄화수소류 등으로 구성되어 있어서 건강에 더욱 이해함.

• 보통 10 μm의 거대먼지는 코, 기관지에서 걸러 줌.

• 입자가 미세할수록 비표면적이 넓어서 대기 중 유해가스의 흡착이 더 잘 일어나고 이로 인하여 유해가스의 영향도 배가됨.

• 건물 등의 미관을 손상시킴.

• 도시의 시정을 악화시키는 요인이 됨.