공기 중 미세먼지 농도 분석 실험 방법

미세먼지(PM, Particulate Matter)는 지름이 매우 작은 고체 또는 액체 입자로, 인체 건강에 직접적인 영향을 주는 대표적인 대기 오염 물질입니다. 실내외 공기 중의 미세먼지 농도를 정확하게 측정하고 분석하는 것은 환경 과학, 공중보건, 도시계획 등의 다양한 분야에서 중요하게 다루어집니다. 본 글에서는 공기 중 미세먼지 농도를 측정하고 분석하는 표준적인 실험 방법과 절차를 상세히 소개합니다.

1. 실험 목적 및 개요

본 실험의 목적은 공기 중 PM10 및 PM2.5의 농도를 실시간으로 측정하고, 시간 및 장소에 따른 미세먼지 변화 패턴을 분석하는 것입니다. 측정된 데이터를 바탕으로 미세먼지 발생 원인 추정, 환기 및 정화 전략 설계, 환경 개선 방안 수립이 가능해집니다.

2. 미세먼지 측정 장비 및 재료

• 미세먼지 센서 (예: PMS7003, SDS011, Honeywell HPMA115S0)

• 데이터 수집 장치 (Arduino, Raspberry Pi 등)

• 전원 공급 장치 및 USB 케이블

• LCD 디스플레이 또는 IoT 기반 모니터링 플랫폼 (예: Blynk, Thingspeak)

• 엑셀, R, Python 등 데이터 분석 도구

3. 미세먼지 센서 연결 및 코드 예시

Arduino + PMS7003 예제 코드

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial pmsSerial(10, 11); // RX, TX

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pmsSerial.begin(9600);
}

void loop() {
  if (pmsSerial.available() >= 32) {
    byte buffer[32];
    pmsSerial.readBytes(buffer, 32);

    int pm10 = buffer[10] << 8 | buffer[11];
    int pm25 = buffer[12] << 8 | buffer[13];

    Serial.print("PM1.0: "); Serial.print(pm10);
    Serial.print(" μg/m3, PM2.5: "); Serial.print(pm25);
    Serial.println(" μg/m3");
  }
  delay(1000);
}

위 코드를 통해 센서에서 실시간으로 측정된 PM1.0 및 PM2.5 데이터를 시리얼 모니터에 출력할 수 있습니다.

4. 실험 절차

1단계: 장비 설치

- 미세먼지 센서를 실내 또는 실외의 적절한 위치에 설치합니다.
- 공기의 흐름이 자유롭고, 직접적인 먼지 유입이나 방해 요인이 없는 곳이 이상적입니다.

2단계: 실시간 데이터 수집

- 최소 1분 간격으로 미세먼지 농도를 측정하고, 일정 기간(예: 24시간, 7일) 동안 데이터를 수집합니다.
- 날씨, 시간, 사람의 활동량 등 환경적 변수도 함께 기록하면 분석에 유리합니다.

3단계: 시간대별 평균값 계산

- 수집된 데이터를 시간대별로 나누어 평균값을 계산합니다.
- 예: 오전(6~12시), 오후(12~18시), 저녁(18~24시), 새벽(0~6시) 등으로 분류 가능

4단계: 그래프 작성 및 패턴 분석

- 시간대별 PM 농도 변화 그래프를 작성합니다.
- 특정 시간대 또는 요일별 패턴을 통해 실내외 활동과 미세먼지 연관성을 확인합니다.

5. 실험 데이터 분석 및 수식 적용

측정된 데이터는 아래와 같은 방식으로 분석할 수 있습니다:

일일 평균 미세먼지 농도 계산

$$\text{PM 평균} = \frac{\sum_{i=1}^{n} \text{PM}_i}{n}$$
여기서 $\text{PM}_i$는 각 측정 시간의 미세먼지 농도, n은 측정 횟수입니다.

변동 계수 (CV) 계산

농도의 일중 변동성을 확인하기 위해 변동 계수(Coefficient of Variation)를 사용할 수 있습니다.
$$\text{CV} = \left( \frac{\sigma}{\mu} \right) \times 100$$
여기서 $\sigma$는 표준편차, $\mu$는 평균입니다.

6. 실험 시 유의사항

- 센서는 습도, 온도 등에 영향을 받을 수 있으므로 주변 환경 조건을 함께 기록하는 것이 좋습니다.
- 장시간 사용 시 센서의 오염 여부를 확인하고 주기적으로 청소하거나 교체해야 합니다.
- 실험 전 후 대기환경 기준치(예: WHO, 국내 환경부 기준)와 비교하여 평가할 수 있습니다.
- 실험 결과에 영향을 줄 수 있는 요인(청소, 요리, 창문 개방 등)은 별도 기록합니다.

결론

1. 실험 목적: 공기 중 미세먼지(PM2.5, PM10) 농도를 측정하고, 환경 변수에 따른 농도 변화를 분석하기 위함입니다.

2. 측정 장비: PMS7003 등 정밀 센서를 활용하여 실시간 데이터를 수집하고, Arduino나 Raspberry Pi로 제어 및 기록합니다.

3. 실험 절차: 센서 설치 → 데이터 수집 → 시간대별 평균 분석 → 그래프 작성 및 해석 순으로 진행됩니다.

4. 데이터 분석: 평균값, 변동 계수, 일중 패턴 등을 통해 미세먼지 오염 정도와 원인을 파악합니다.

5. 유의사항: 실험 정확도를 높이기 위해 환경 기록, 센서 관리, 반복 측정이 중요합니다.

이와 같은 미세먼지 농도 실험은 공기 질 개선 방안 수립, 환기 및 필터링 전략 설계 등에 유용하며, 시민 건강과 환경 정책에도 실질적인 기여를 할 수 있습니다.