Steric 모드의 침강장-흐름 분획법을 이용한 황사의 특성분석

Abstract

황사입자들은 수 나노미터에서 수 마이크론 사이의 크기를 가지는 것으로 알려져 있다. 황사가 환경 및 인체 건강에 미치는 영향은 황사 입자의 크기에 의존한다. 입자가 작을수록 멀리까지 이동하며, 인체의 호흡기관 깊숙이 침투한다. 침강장-흐름 분획법(sedimentation field-flow fractionation, SdFFF)은 채널 내 포물선형태의 흐름(parabolic flow profile)과 외부에서 가해지는 원심력의 상호작용을 이용하여 나노 및 마이크론 크기의 입자들의 분리를 제공한다. 본 연구에서는 황사입자의 크기별 분리와 특성분석을 위한 steric 모드 침강장-흐름 분획법(Sd/StFFF)의 응용 가능성을 테스트하였다. 이를 위하여 다양한 Sd/StFFF 파라미터들을(유속, stop-flow time, 원심력의 세기, 등) 최적화 하였다. Sd/StFFF 보정곡선의 <TEX>$R^2$</TEX>값은 0.9983으로 높은 직선성을 보였으며, 실험결과는 Sd/StFFF가 마이크론 입자의 크기별 분리에 우수함을 보여주었다. 광학현미경(optical microscopy, OM)을 이용하여 황사입자들의 크기와 모양을 조사하였다. 황사가 진할 때에는 약할 때보다 입자크기가 증가함을 보여주었다. 또한 비가 올 때에는 건조할 때보다 입자크기가 감소하였는데, 이는 입자 표면에 흡착되어 있는 성분들이 빗물에 의해 제거되었기 때문인 것으로 보여진다. 본 연구의 결과는 Sd/StFFF가 황사와 같이 환경입자의 크기특성분석에 유용함을 보여준다. Asian dust particles are known to have sizes ranging from a few nanometers up to about a few micrometers. The environmental and health effects depend on the size of the dust particles. The smaller, the farther they are transported, and the deeper they penetrate into the human respiratory system. Sedimentation field-flow fractionation (SdFFF) provides separation of nano to microparticles using a combination of centrifugal force and parabolic laminar flow in a channel. In this study, the steric mode of SdFFF (Sd/StFFF) was tested for size-based separation and characterization of Asian dust particles. Various SdFFF experimental parameters including flow rate, stop-flow time and field strength of the centrifugal field were optimized for the size analysis of Asian dust. The Sd/StFFF calibration curve showed a good linearity with <TEX>$R^2$</TEX> value of 0.9983, and results showed an excellent capability of Sd/StFFF for a size-based separation of micron-sized particles.The optical microscopy (OM) was also used to study the size and the shape of the dust particles. The size distributions of the samples collected during a thick dust period were shifted towards larger sizes than those of the samples collected during thin dust periods. It was also observed that size distribution of the sample collected during dry period shifts further towards larger sizes than that of the samples collected during raining period, suggesting the sizes of the dust particle decrease during raining periods as the components adsorbed on the surface of the dust particles were removed by the rain water. Results show Sd/StFFFis a useful tool for size characterization of environmental particles such as the Asian dust.