Unveiling the overlooked direct emissions of particulate organic nitrates from ship

Chen, J., Fu, X., Wang, X., Dong, S., Chen, T., Xue, L., ... & Wang, W. (2024). Unveiling the overlooked direct emissions of particulate organic nitrates from ship. Environment International, 108487.

 

Main Contribution

• 선박의 미립자 유기 질산염(Particulate organic nitrates, pONs) 직접 배출 확인 및 검증
• 선박에서 발생한 pONs의 배출이 해양 환경에서의 대기 오염 형성에 주요한 영향을 줌을 확인
• 선박에서 발생한 pONs는 대기 순환을 통해 먼 해양 지역에서도 영향을 미칠 수 있음을 확인
• pONs의 선박 배출 관련 규제 강화, 청정 연료 사용 촉진, 배기가스 처리 기술 개발 등을 통해 대기 오염 예방 필요성 강조

Background

(1)     미립자 유기 질산염(Particulate organic nitrates, pONs)

          A.   대기 중 유기 입자상 물질의 중요한 구성 요소

          B.   대기 화학 반응을 통해 생성되며, 질소를 포함하는 유기 화합물로 하나 이상의 질산기(-ONO2)를 가짐

          C.   휘발성 유기 화합물(VOCs)이 대기 중 산화제(ex. 오존, OH, NOx)등과 반응하여 형성되는 이차 유기 에어로졸(SOA)의 요소

          D.   질소 순환(유기물, 무기물)의 중간 단계 역할을 함
                   (유기 질산염, 아민, 아미드 등(유기물) <-> NOx(무기물))

          E.   구름 응결 핵으로서 작용하며, 직접적인 기후 변화 영향 요인임

          F.   pONs는 대기 오염 증가 및 인간의 호흡기와 심혈관 건강에 부정적인 영향을 끼침

             + 서울 초미세먼지 주성분, 자동차 기인 질산염 가장 높아(뉴스렙, 2020. 12. 15.)

 

서울 초미세먼지 성분 분석 결과

 

(2)     GEOS-Chem

          A.   전세계를 3차원 그리드화 시켜 대기 화학반응과 수송을 모사해 오염물질의 농도와 분포를 시간적, 공간적으로 해석

          B.   VOCs, NOx, 오존, 미세먼지(PM2.5) 등 다양한 대기 오염 물질과 온실가스 등에 대한 시뮬레이션 가능

          C.   대기 오염, 기후 변화, 인간의 건강 영향 요소, 지구 화학 순환 등의 연구 분야에 활용

          D.   NASA Global Modeling and Assimilation Office의 데이터를 활용한 글로벌 3차원 대기 화학 모델

          E.   하버드대, 워싱턴대 주축으로 NASA Earth Science, 캐나다 국립 공학 연구 위원회, 난징 정보 과학 기술 대학이 개발 관리함

 

Experiment

(1) 장거리 운항에 따른 배출량의 유의미한 변화를 알아보는 실험

      기간 : 2017년 4월 22일 ~ 2017년 5월 27일

      방법 : 동방홍 2호, 중국 과학 연구 선박에서 항로를 따라 해수 샘플을 수집 및 대기
                  오염물질과 기상 상황을 고려한 분석 실행

(1) 분석결과

      선박의 장거리 운항은 pONs 배출에 유의미한 영향을 주지 않음

5가지 종류의 pONs와 기타 대기 오염물질의 일자별 측정량 (상단 화살표는 풍향을 의미)

 

(2) pONs가 선박에서 직접적으로 배출되는지 확인하는 실험

     선박 배기가스에서 pONs 배출량 측정

     대형 선박 배기구에 맞게 샘플링 시스템을 조정하여 측정(SKC, KANE AUTOplus 5-2, DN2000을 이용)

     샘플링을 UHPLC(액체 크로마토그래피)를 이용해 분석

(2) 분석결과

     선박 배기가스가 pNOs를 배출함을 확인

     연료 유형과 선박 유형에 따라 배출량은 큰 차이를 보임

          -선박이 작은 경우, 오염물질 저감 장치 미설치 등으로 인해 배출량이 더 높음을 확인

          -높은 황 함량을 지니는 디젤 연료에서 pNOs 배출이 더 높음을 확인

     NOx가 pONs의 형성에 영향을 줌을 확인

 

(3) 선박에서 배출되는 pONs를 고려한 글로벌 pONs 농도 시뮬레이션 실험

      GEOS-Chem을 이용하여 선박 pONs 배출이 글로벌 pONs 농도에 미치는 잠재적 영향 조사

(3) 분석결과

      선박 직접 배출을 통한 pONs 배출을 고려하는 경우, 연안 지역의 농도가 훨씬 상승함을 확인

      선박 pONs 배출을 고려하면 평균 11배 정도 pONs 농도가 증가함을 확인, 선박 활동이 밀집된 지역에서 큰 증가 발생

      남극의 경우, 어선과 크루즈선 등을 통해 배출되는 pONs가 큰 영향을 주며, 날씨가 추워 배출된 pONs의 수명이 더 길게 지속되어 농도가 상대적으로 높음을 확인

선박에서의 pONs 직접 배출을 고려하지 않은 pONs 배출량 예측 (a) 와 선박에서의 pONs 직접 배출을 고려한 경우 절대적 차이 (b) 와 상대적 차이 (c)

 

Reference

(1)  GEOS-chem. GEOS-Chem Introduction. (2024, March 27). https://geoschem.github.io/

(2)  이석만. (2020, September 15). 서울 초미세먼지 주성분, 자동차 기인 질산염 가장 높아. 뉴스렙. https://www.newsrep.co.kr/news/articleViewAmp.html?idxno=160930

(3)  부산대학교 대기경계층연구실. Secondary aerosol. (2024, March 27). https://atem.pusan.ac.kr/atem/50869/subview.do