에너지/환경

상하이 대기오염 입자 형성의 화학적 메커니즘 규명

발행일 : 2018 / 07 / 28

최근 푸단(復旦)대학 환경과학·공학부 왕린(王琳) 교수가 이끄는 연구팀은 4년간 준비, 3년 반 실험 및 데이터 분석, 2년간 지속적 관측을 통해 최초로 중국 전형적 도시인 상하이 대기에서 황산-디메틸아민-물의 삼성분 핵형성 현상을 발견하고 입증하였다. 또한 상하이 대기오염의 원인인 나노 미세입자 형성-대기 새입자 형성의 화학적 메커니즘을 규명함으로써 중국 대기 입자상물질 오염 방제 정책 제정을 위해 새로운 과학적 증거를 제공하였다.

도시 대기오염의 원인인 대기 새입자 형성 사건의 화학·물리적 메커니즘은 그 동안 수수께끼로 남아있었다. 연구팀의 해당 발견은 지구인구 133배 규모의 공기 분자 가운데서 가장 핵심적인 2개 분자를 찾아낸 것과 마찬가지이다. 즉 황산 분자와 디메틸아민 분자를 선별해냈고 이 두 분자가 서로 만나 대기 새입자 형성 사건을 발생한다는 것을 발견하였다. 해당 연구 성과는 2018년 7월 20일 “중국 전형적 대도시 황산-디메틸아민의 대기 새입자 형성 사건”이란 제목으로 국제 저명학술지 Science에 게재되었다. 동 논문의 공동 제1저자는 푸단대 환경과학·공학부 야오레이(姚磊) 박사연구생과 핀란드 헬싱키대학교 Olga Garmash 박사연구생이고 교신저자는 왕린이다.

대기 PM2.5 오염은 국가경제 및 국민생활과 직결된 주요 의제이다. 일반적으로 공장/자동차에서 배출되는 가스와 같이 인류활동 또는 자연활동을 통해 직접 배출되는 미세먼지를 PM2.5 오염의 주원인으로 간주하며 이를 “1차배출”이라 부른다. 이외 대기에서 자주 발생하는 입자상물질의 “2차형성”이 존재한다.

“2차형성” 과정은 “1차배출”에 비해 더 복잡한데 대체적으로 2가지로 분류된다. 첫째 과정은 대기에서 휘발성 기체가 화학반응을 거쳐 포화증기압이 낮은 반응산물을 생성하고 나아가 기존 미세먼지 표면에 응결되어 질량농도를 증대시키는 과정이다. 둘째는 입자상물질의 수농도(number concentration)를 대폭 증가시키는 과정인데 대기에서 부분적 기체 분자가 임의로 충돌하면서 분자 간 작용력 또는 화학결합을 통해 분자클러스터를 생성하고 이러한 분자클러스터가 더한층 성장하여 나노 미세입자-대기 새입자를 형성한다. 이 과정에서 기체로부터 응집상태로의 상변화가 일어난다. 상기 나노 미세입자의 지속적 성장은 대기 PM2.5 오염을 초래할 수 있다. 이처럼 “2차형성”은 대기 입자상물질의 무게 증대 및 개수 증가 효과를 초래한다. 연구팀은 개수 증가 과정에 주안점을 두고 도시 공기에서 대기 새입자 형성을 연구하였다.

최근 몇 년간 상대적 청정 공기에서의 대기 새입자 형성 사건과 관련한 대기화학적 메커니즘이 모습을 갖추기 시작하였다. 하지만 도시의 대기 성분은 복잡하고 다양하기에 도시 대기에서의 새입자 형성 사건은 특성상 청정 대기에서의 해당 사건에 비해 뚜렷한 차이가 존재한다. 대기 새입자 형성 과정 연구에서 1나노 이하 기체상태 전구체 분자, 1~2나노 크기 분자클러스터, 몇 나노 크기의 미세입자 등 주요 연구 입자의 무게·입경이 매우 작고 또한 대기 혼합비마저 1조분의 1 이하 수준이어서 원위치 실시간적 측정 실험에 대한 요구가 매우 높다.

3나노 이하 입자상물질 농도 측정을 통해 대기 새입자 형성 사건의 발생 여부를 판단하는 것은 어렵다. 또한 해당 과정과 관련된 기체상태 전구체 및 분자클러스터의 화학성분을 검출해야 할 뿐만 아니라 그중 어떤 분자와 분자클러스터가 해당 사건과 직결되는 지를 식별해야 한다. 이처럼 측정-식별-형성 메커니즘 도출에 이르기까지의 모든 절차 연구가 유례를 찾아볼 수 없을 만큼 도시 대기 새입자 형성 사건의 물리화학적 메커니즘 규명은 대기화학연구 분야에서 해결해야 할 과제이다.

연구팀은 2014년 3월에서 2016년 2월 사이 국제 최신 나노 입자상물질 입경 증폭 기술을 사용하여 상하이의 대기를 연속적으로 관측하였고 2015년에서 2016년 겨울 사이 배행시간 질량분석기를 포함한 많은 기기설비를 도입하여 대량의 관측 데이터를 수집하였다. 그리고 2016년 3월부터 2017년 7월 사이 핀란드 헬싱키대학과 공동으로 앞서 수집한 대량 데이터에 대한 체계적 정리 및 심층 분석을 수행하였다.

연구팀은 3년 반 동안 상하이 도시 대기에서 1에서 700나노 구간의 대기 입자상물질 입경 분포 농도를 측정하였고 또한 대기 새입자 형성/성장 속도를 획득하였다. 또한 대기 상압 계면-비행시간 질량분석 및 질산기 시약 이온화학전리-비행시간 질량분석 기술을 응용하여 대기 새입자 형성 사건 동안의 중성/대전 분자클러스터 화학성분을 측정하였다.

연구 결과 중국 전형적 도시 상하이 대기 새입자 형성 과정에서 1개 기체 황산 분자와 1개 디메틸아민 분자가 임의로 충돌하면서 수소결합을 거쳐 안정적인 분자클러스터를 형성하고 해당 분자클러스터는 기타 황산분자, 디메틸아민 분자 또는 기타 황산-디메틸아민 클러스터와 충돌하여 지속적으로 성장한다. 이렇게 일정 크기로 성장한 후, 기타 물질 종류(매우 낮은 휘발성 유기화합물 등)도 해당 과정에 참여하면서 최종 대기 새입자를 형성한다.

이외 세계 각지에서의 대기 현장 관측을 통해 가장 높게 나타나는 황산 이합체 질량스펙트럼 신호를 관측하였고 또한 여러 개 핵심적 황산-디메틸아민 분자클러스터를 식별하였다. 연구를 통해 획득한 상하이 대기 새입자 형성 속도는 실험실에서 진행한 황산-디메틸아민-물의 삼성분 핵형성 시뮬레이션 실험 결과와 일치성을 보유한다. 이는 최초의 현장 관측을 통한 황산-디메틸아민-물의 삼성분 핵형성 메커니즘 발견 및 입증 사례로서 중국 전형적 도시 대기 새입자 형성 사건을 해석하는데 이용할 수 있다.

해당 연구는 푸단대학 환경과학·공학부 상하이시대기입자상물질오염방제중점실험실, 푸단대학 대기과학연구원 왕린 교수팀과 핀란드 헬싱키대학 Markku Kulmala 교수팀, 난징(南京)정보공학대학, 상하이시환경감시센터, 상하이시기상국, 상하이시환경과학연구원, 미국 Aerodyne회사가 공동으로 수행하였다. 해당 연구 성과는 도시의 심각한 대기오염 원인인 새입자 형성 사건 규명을 통해 중국의 대기 입자상물질 오염 특히 대기 입자상물질의 2차형성 예방퇴치를 위해 잠재적 방제조치를 제공함과 아울러 중국의 스모그 오염 및 글로벌 기후변화를 이해하는데 도움을 줄 것으로 예상된다.

그림1 질산기 시약 이온화학전리-비행시간 질량분석 기술로 식별한 대기 미량물질 종류의 질량결손 표시도
그림 2 현장 관측 대기 새입자 형성 속도와 실험실 시뮬레이션 결과 비교도