Kemialliset sisäilmatutkimukset

Kemialliset sisäilmatutkimukset on kemiantekniikan avulla muodostettu kokonaisuus mittaus-, näytteenotto- ja analyysimenetelmiä, joita käytetään rakennuksen tai muun tilan sisällä olevan ilman eli sisäilman laadun arvioimiseen ja tunnistamaan mahdolliset sisäilmaongelmat sekä niiden lähteet. Kemiallisten sisäilmatutkimusten avulla selvitetään sisätiloissa hengitettävän ilman kemiallista koostumusta ja mahdollisia terveysriskejä . Kemiallisia sisäilmatutkimuksia tarvitaan sisäilman epäpuhtauksien havaitsemiseksi, niiden syntymekanismien tunnistamiseksi ja sisäilmaongelmien ratkaisemiseksi. Kemialliset sisäilmatutkimukset ovat tarpeellisia, jos sisäilman laatuongelmat eivät ole havaittavissa muilla mittausmenetelmillä, kuten fysikaalisilla sisäilmatutkimuksilla. Muita sisäilmatutkimuksia ovat esimerkiksi ilmanvaihtojärjestelmän toimivuuden arviointi, kosteusvaurioiden selvittäminen ja homehtumisriskin tarkastelu .
Kemiallisesta näkökulmasta sisäilma on reaktioympäristö, johon tulee sisään ja josta poistuu jatkuvasti satoja kemiallisia yhdisteitä. Jotkin näistä yhdisteistä voivat reagoida keskenään tai itsensä kanssa muodostaen reaktiotuotteita, joita ei muuten olisi sisätiloissa. Monet reaktioiden tuotteina syntyvät yhdisteet ovat biokemiallisesti reaktiivisempia, ärsyttävämpiä tai haitallisempia kuin niiden lähtöaineet. 
Sisäilmassa voi olla kemiallisia haitta-aineita joko tilan käyttäjän oman toiminnan seurauksena, rakennusmateriaaleista vapautuvina päästöinä tai kosteusvaurioon liittyvinä, materiaalien hajoamisen aiheuttamina päästöinä .
Sisäilman kemialliset epäpuhtaudet.
Sisäilman kemialliset epäpuhtaudet ovat hiukkasmaisia tai kaasumaisia aineita, ja yleensä ne luokitellaan orgaanisiin, epäorgaanisiin, biologisiin tai radioaktiivisiin yhdisteisiin , joista kemiallisten sisäilmatutkimusten yhteydessä käsitellään pääasiassa kahta ensimmäistä.
Sisäilman huonelämpötilassa esiintyvien orgaanisten aineiden pitoisuuksia kuvataan VOC-pitoisuuksilla ("Volatile Organic Compounds", haihtuvat orgaaniset yhdisteet). Nopea kaupungistuminen ja teollistuminen ovat lisänneet VOC-päästöjä, ja niitä pidetään merkittävinä sisäilman epäpuhtauksien aiheuttajina. Atmospheric Environment -tiedelehden artikkelin mukaan VOC-yhdisteitä voi vapautua esimerkiksi rakennusmateriaaleista, siivousaineista, lakkojen, maalien ja liimojen liuottimista, ilmastointi- ja ilmanvaihtojärjestelmistä ja toimistotarvikkeista, kuten tulostimista .
Yleisimpiä VOC-yhdisteitä ovat halogenoidut yhdisteet, alkoholit, ketonit, aromaattiset yhdisteet ja eetterit , ja sisäilman kannalta merkittäviä orgaanisia yhdisteitä voivat olla esimerkiksi karbonyyliyhdisteet ja aldehydit. Haitallisia sisäilmassa esiintyviä kemiallisia yhdisteitä ovat myös PAH-yhdisteet (polysykliset aromaattiset hiilivedyt), kuten bentseeni (C6H6), styreeni (C8H8) , naftaleeni (C10H8), bentso(e)pyreeni (C20H12), trikloorietyleeni (C2HCl3) ja tetrakloorietyleeni (C2Cl4). (Taulukko 1)
Aldehydeihin kuuluva formaldehydi (CH2O) on yleinen sisäilman epäpuhtaus, jota voi esiintyä esimerkiksi uusissa puukomposiitteja sisältävissä huonekaluissa, rakennusmateriaaleissa ja kosmetiikan säilöntäaineissa . Formaldehydiä syntyy ilmaan orgaanisen aineen palamisesta mm. tupakoinnista, ruuanlaitosta (kaasu- ja puuhellat), lämmityksestä (avotakat) ja liikenteestä. Formaldehydin emissioon rakennusmateriaaleista vaikuttavat esimerkiksi lastulevyn määrä rakenteissa, ilmanvaihdon riittävyys, sisäilman lämpötila ja suhteellinen kosteus. Formaldehydi on myös karsinogeeninen eli syöpää aiheuttava aine .
Sisäilman kannalta merkittäviä epäorgaanisia kaasumaisia yhdisteitä voivat olla hiilidioksidi (CO2) ja -monoksidi (CO), tupakansavu, otsoni (O3), ammoniakki (NH3), rikkidioksidi (SO2) ja muut rikki- ja typpiyhdisteet, kuten rikkivety (H2S) ja typen oksidit (NOx).
Esimerkki biologisista, sisäilmaongelmia aiheuttavista yhdisteistä, ovat sienimikrobit, joita esiintyy kosteissa tiloissa, kuten kylpyhuoneissa ja pesutiloissa . Esimerkki radioaktiivisista yhdisteistä on radon (Rn) .
Sisätiloissa tapahtuvat kemialliset reaktiot voivat olla monimutkaisia, mikä vaikeuttaa niiden ymmärtämistä erityyppisissä sisäolosuhteissa, joissa esimerkiksi suhteellinen kosteus vaikuttaa reaktiomekanismeihin ja kinetiikkaan. Nämä tietopuutteet voivat johtaa epätäydelliseen toksikologiseen ja kemikaalien annoksen ja terveyden epidemiologiseen arviointiin .
Mittaus- ja näytteenottomenetelmät.
Sisäilmanäytteitä kerätään olosuhdemittauksina sisätilakohteiden ilmasta ja pinnoilta, minkä jälkeen ne analysoidaan analyysimenetelmillä. Ilmanäytteiden avulla analysoidaan erilaisten kaasujen, kuten VOC-yhdisteiden ja hiilidioksidin, pitoisuuksia sisäilmassa. Pintanäytteitä otetaan, kun rakenteesta, jossa vauriota epäillään, ei voi irrottaa materiaalinäytteitä analysoitavaksi. Pintanäytteitä otetaan usein kosteusvaurioiden ja homevaurioiden epäilyn selvittämiseksi, ja pintanäytteiden analysoinnilla voidaan havaita home- ja bakteerikasvustoa sekä muita mikro-organismeja. 
Yleisimmin käytetyt mittausmenetelmät ovat VOC-mittaukset, joilla mitataan niitä VOC-yhdisteitä, joilla on huoneenlämpötilassa riittävän korkea höyrynpaine haihtuakseen ilmassa . VOC-yhdisteitä esiintyy sisätiloissa vähintään 2-5 -kertaisesti verrattuna ulkoilmaan . Orgaanisten sisäilmayhdisteiden sisäilmatutkimuksista on käytettävissä ISO 16000-6 -standardi, joka määrittelee mittaus- ja tutkimusmenetelmiä, joiden perusteella voidaan määrittää sisätilojen materiaaleista haihtuvien VOC-yhdisteiden määriä ja ominaisuuksia .
VOC-yhdisteiden mittaamiseksi tarvitaan erilaisia näytteidenottomenetelmiä (esimerkiksi Tenax GR ja Tenax TA) . Aistinvaraisen arvioinnin eli haistelun perusteella näytteitä voidaan ottaa tyypillisesti eri huoneista ja kerroksista, jotta saadaan kattava kuva rakennuksen sisäilman laadusta, ja näytteitä voidaan ottaa myös eri vuorokauden aikoina, jotta voidaan havaita mahdollisia päivärytmin vaikutuksia sisäilman laatuun . 
VOC-yhdisteitä voidaan määrittää sisäilmasta joko jatkuvatoimisilla tai keräävillä mittalaitteilla. Jatkuvatoimiset mittalaitteet tarjoavat suuntaa antavaa tietoa ilman kemiallisesta laadusta, VOC-yhdisteiden kokonaispitoisuudesta ja ajallisesta vaihtelusta. Kokonaispitoisuuden määritykseen käytetään esimerkiksi metallioksidi-puolijohdeantureita tai fotoionisaatioon perustuvia antureita. 
"Bulk- eli kokonaisemissiotutkimuksia" käytetään yleensä tutkittaessa VOC-, aldehydi- ja ammoniakkiemissioita, ja tarvittaessa se soveltuu myös esimerkiksi PAH- tai isosyanaattitutkimuksiin. Menetelmä ei ole kuitenkaan standardoitu, joten eri laboratorioiden tuottamat tulokset tai eri kohteista eri aikoina kerättyjen näytteiden tulokset eivät ole vertailukelpoisia, ja kokonaisemissiotuloksista [μg/m³g] ei voida päätellä pintaemissionopeuksia tai ilmapitoisuuksia, mutta menetelmä on kustannustehokas epätavanomaisen päästölähteen etsimiseen. 
"Pintaemissiotutkimukset FLEC-menetelmällä" (Field and Laboratory Emission Cell) vaativat näytteenottoon tasaisen pinnan, eikä näytteenotto vaurioita pintaa. NT Build 484-ohjeen mukainen kevennetty mittausmenetelmä on tarkoitettu kenttäolosuhteisiin . Menetelmää voidaan soveltaa VOC-, aldehydi- ja ammoniakkinäytteenottoon, mutta kenttänäytteenoton olosuhteet eivät yleensä ole vakioidut, joten tulokset eivät ole täysin vertailukelpoisia. Tuloksena saadaan pintaemissionopeus (area specific emission rate, SER) [μg/m²h], mutta koska FLEC-näytteenoton olosuhteet eroavat huomattavasti eurooppalaisesta mallihuoneesta, tuloksesta ei tulisi laskea mallihuonepitoisuutta [μg/m³]. 
"Pintaemissiotutkimukset kammiotekniikka -menetelmällä" perustuvat standardeihin ISO 16000-9 ja EN 16516 . Näytteen pinta-ala testikammiossa määräytyy eurooppalaisen 30 m³ mallihuoneen perusteella ja emissionäytteet kerätään kammiosta aktiivisesti pumpun avulla. Menetelmä on tarkoitettu etenkin VOC-, aldehydi- ja ammoniakkiemissioiden mittaamiseen, mutta voidaan soveltaa myös muille altisteille. Menetelmä vaatii isohkot ja ehjät näytekappaleet, ja kemiallisiin testeihin voidaan yhdistää myös aistinvarainen arviointi. Pintaemissionopeuden [mg/m²h] lisäksi saadaan myös ilmapitoisuus mallihuoneessa [μg/m³]. Tuloksia voidaan verrata tietyin varauksin raja-arvoihin ja tulokset ovat vertailukelpoisia, koska näytteenkäsittely, näytteenotto ja analyysit on standardoitu. 
Kemialliset sisäilmatutkimukset toteutetaan näytteenoton osalta teknisesti yleensä ottamalla näytteitä tutkittavasta tilasta joko aktiivisesti tai passiivisesti .
Aktiivinen näytteenottotapa on kerätä VOC-yhdisteitä pumpulla esimerkiksi Tenax- tai Tenax-Carbograph-adsorbentilla täytettyyn putkimaiseen ATD-keräimeen (ATD = automatic thermal desorption). Näytteenotto tapahtuu huoneen keskeltä noin 1,0–1,5 metrin korkeudelta lattiasta vähintään 1 metrin etäisyydellä seinästä, ja keräin saatetaan kohdistaa tarkalleen esimerkiksi tuloilmakanavan tai lattiakaivon aukkoon. 
Passiivinen näytteenottotapa on kerätä VOC-yhdisteitä Tenax-adsorbentilla täytettyä putkimaista ATD-diffuusiokeräintä. Menetelmä soveltuu kvalitatiiviseen analyysiin. 
Mittaus- ja näytteenottomenetelmiä kehitetään jatkuvasti tunnistamaan tarkemmin eri yhdisteitä. Esimerkiksi rikkivedyn eli divetysulfidin mittaamiseen (H2S) on pyritty kehittämään uusia mittausmenetelmiä .
Analyysimenetelmät ja raja-arvot.
Kemialliset sisäilmatutkimukset voivat sisältää näytteenoton jälkeen yhdistelmän eri analyysimenetelmiä. Reaktiotuotteiden määrää voidaan analysoida laboratoriossa esimerkiksi kaasukromatografialla ja massaspektrometria-menetelmällä, jotka ovat kehittyneet viime vuosina nopeasti. Kaasukromatografiassa VOC-yhdisteet erotellaan toisistaan niiden erilaisen haihtuvuuden perusteella. Näytteen otettu ilmamäärä syötetään kaasukromatografiassa olevaan kolonniin, joka sisältää tietyn tyyppisiä täyteaineita. Erilaiset VOC-yhdisteet kulkevat kolonnissa eri nopeuksilla, mikä mahdollistaa niiden erottelun. Tämän jälkeen havaitut yhdisteet voidaan tunnistaa massaspektrometrin avulla, joka mittaa ionin massa-varaussuhdetta ja tuottaa niistä ominaisia massaspektrikuvioita. Lisäksi PAH-yhdisteitä voidaan mitata termodesorptio-kaasukromatografi-massaspektrometrillä. 
Mittaus- ja analyysitulosten arvioinnissa on usein jonkin verran epävarmuutta, ja standardin ISO 16000-6 mukaisen VOC-analyysin kokonaismittausepävarmuus on kymmeniä prosentteja. Mittaustuloksiin saattavat vaikuttaa esimerkiksi toteutetut remontit, joiden vaikutus voi näkyä mittauksissa useamman kuukauden. Lisäksi esimerkiksi siivoustoimenpiteet, kuten lattioiden vahaus ja runsas pesuaineiden käyttö, voivat nostaa hetkellisesti pitoisuuksia. Myös liian pieni tai liian suuri näytetilavuus lisäävät epävarmuutta. 
VOC-päästöt voidaan luokitella erittäin haihtuviin orgaanisiin yhdisteisiin (VVOC), haihtuviin orgaanisiin yhdisteisiin (VOC), puolihaihtuviin orgaanisiin yhdisteisiin (SVOC) ja hiukkasiin sidottuihin orgaanisiin yhdisteisiin (POM). (Taulukko 2)
 
Katso lisää VOC-yhdisteistä.
Saatuja tuloksia verrataan sisäilman epäpuhtauksille asetettuihin kansallisiin tai kansainvälisiin raja-arvoihin. Raja-arvojen käyttö sisäilman laadun arvioinnissa ei ole yksiselitteistä, eivätkä raja-arvot aina ota huomioon mahdollisia synergistisiä vaikutuksia eri epäpuhtauksien välillä. Pelkkien VOC-mittausten perusteella ei voi yleensä tehdä luotettavia päätelmiä sisäilman terveydellisestä laadusta, koska sisäilman VOC-yhdisteet ja niiden terveysvaikutukset ovat osittain tuntemattomia ja mittaukseen liittyy epävarmuustekijöitä . Kertyneen näytön perusteella asiantuntijat laativat terveysriskien arvioinnit ja sopivat ohjeesta . Tärkeää on esimerkiksi pyrkiä arvioimaan, mistä VOC-yhdisteiden kokonaispitoisuus (TVOC) muodostuu, koska pienempikin TVOC voi viitata ongelmaan, jos se koostuu epätavanomaisista yhdisteistä. Lisäksi formaldehydi ei näy VOC-analyysissä, ja se pitää mitata erikseen. Ammoniakille ei ole ollut raja-arvoa asumisterveysasetuksessa, mutta se on myös relevantti yhdiste sisäilmaongelmien selvittämisen kannalta .
Eri maissa ja organisaatioilla voi olla erilaisia tavoite- ja viitearvoja eri epäpuhtauksille. Suomessa kemiallisille yhdisteille ja mikrobeille on asetettu kansallisia viitearvoja .
TVOC:n osalta Työterveyslaitoksen viitearvo (10 % -persentiili) on 80 µg/m³ . Kohonnut TVOC-pitoisuus (yli 400 µg/m3) on osoitus kemiallisten aineiden epätavallisen suuresta määrästä sisäilmassa .
Käyttökohteet ja soveltaminen.
Huonolaatuinen sisäilma voi aiheuttaa monenlaisia terveysongelmia, ja rakennusten sisäilmaongelmat ovat yleinen huolenaihe ympäri maailman . Kemiallisia sisäilmatutkimuksia käytetään erityisesti silloin, kun sisäilman laatuongelmat eivät ole selvästi havaittavissa pelkästään muilla tutkimusmenetelmillä, ja kemiallisten sisäilmatutkimusten tuloksia tulkitaan usein yhdessä muiden sisäilmatutkimusten tulosten kanssa. Kemiallisia sisäilmatutkimuksia käytetään laajasti kiinteistöjen ja asuntojen kuntotarkastuksissa sekä terveysriskien arvioinnissa. Esimerkiksi jatkuva epämiellyttävä haju rakennuksessa on usein ensimmäinen hälyttävä merkki sisäilmaongelmasta . Kemiallisten sisäilmatutkimusten avulla voidaan selvittää, mistä sisäilman epämiellyttävät hajut tulevat.
Joissakin tapauksissa huono sisäilman laatu on yhdistetty huonetilan kohonneisiin VOC-pitoisuuksiin. Niiden hajut vähentävät viihtyisyyttä ja ilmassa samanaikaisesti esiintyvillä useilla yhdisteillä saattaa olla vaikutukseltaan myös toisiaan vahvistava ominaisuus . Sisäilman suhteellisella kosteudella ja lämpötilalla on merkitystä epäpuhtauksien pitoisuuteen huoneilmassa. VOC-yhdisteiden aiheuttamat ärsytysoireet voivat voimistua, jos sisäilman suhteellinen kosteus on alhainen. Vastaavasti lämpötilan nousu kasvattaa vapautuvien VOC-yhdisteiden määrää.
Oireilu on aina yksilöllistä, ja sisäilman huono laatu voi aiheuttaa haitallisia vaikutuksia ihmisten terveyteen. VOC-yhdisteiden pääasialliset terveysvaikutukset asuinympäristöissä liittyvät ohimeneviin ärsytys- ja hengitystieoireisiin, formaldehydin keskeiset terveysvaikutukset asuinympäristöissä liittyvät ärsytys- ja hengitystieoireisiin sekä siihen mahdollisesti liittyvään astmariskiin ja PAH-yhdisteisiin liittyy lisääntynyt syöpäriski . Typen oksidit yhdessä VOC-yhdisteiden kanssa voivat muodostaa maanpinnan otsonia, ja rikkioksidin, ammoniakin ja pienhiukkasten kanssa ne voivat tunkeutua keuhkoihin aiheuttaen hengityselinsairauksia, kuten emfyseemaa ja keuhkoputkentulehdusta .
Ympäristövaikutuksina VOC-yhdisteiden on todettu aiheuttavan yläilmakehän otsonikatoa, alailmakehän otsonin muodostumisesta, maanpinnan savusumua, sairaan rakennuksen oireyhtymää, kasvien lahoamista, ilmastonmuutosta ja ilman saastumista .
Sisäilmaan liittyvän akuutin oireilun ennaltaehkäisyssä ja vähentämisessä on tärkeintä huolehtia rakennusten kunnosta ja poistaa havaitut sisäilman epäpuhtauslähteet riittävän nopeasti. . Rakennuksen kunnon selvittämiseksi ja erityisesti kosteusvaurioiden paikantamiseksi tarvitaan yleensä kosteus- ja sisäilmatekninen kuntotutkimus . Kemialliset sisäilmatutkimukset ja -mittaukset ovat osa tätä selvitystyötä.
Sisäilman systemaattisen parantamisen lähtökohtana on sisäilman laadun suunnittelu ja tarkkailu, mikä tarkoittaa sitä, että sisäilman laatuvaatimukset on asetettava rakennuksen suunnitteluvaiheessa ja ilmanlaatua on tarkkailtava suhteessa rakennuksen käyttöikätavoitteeseen. Sisäilmatutkimukset on syytä teettää aina luotettavalla ja akkreditoidulla laboratoriolla, jolla on kokemusta ja tietoa soveltuvista näytteenotto- ja analyysimenetelmistä, jotta tutkimusten tulokset ovat luotettavia ja vertailukelpoisia. .
Kemialliset sisäilmatutkimukset Suomessa.
Väestötasolla Suomessa on Työterveyslaitoksen ja Duodecimin julkaiseman ja koostaman tutkimuksen mukaan eurooppalaisittain keskimäärin parempi sisäilma ja vähemmän kosteusvaurioita kuin muissa Euroopan maissa, ja VOC-yhdisteisiin ja teollisiin mineraalikuituihin liittyvät haitalliset terveysvaikutukset ovat epätodennäköisiä suomalaisissa toimistoissa ja asunnoissa . Terveyshaittoihin liitetyistä sisäilman altisteista vain radonin suhteen Suomessa on huonompi tilanne kuin muualla Euroopassa, mikä on seurausta Suomen uraanipitoisesta maaperästä. 
Suomessa toteutettujen mittausten perusteella VOC-yhdisteiden kokonaispitoisuus (TVOC) ja formaldehydi ylittävät kansalliset toimenpiderajat Suomessa yleensä vain uudiskohteissa alle vuosi käyttöönoton jälkeen ja vanhoissa asunnoissa harvoissa yksittäistapauksissa. 2000-luvulla rivi- ja kerrostaloasunnoissa tehtyjen tutkimusten mukaan TVOC vaihtelee Suomessa 139–356 µg/m³ ja Ruotsissa 143–310 µg/m³ välillä .
Mitatut formaldehydipitoisuudet ovat Ruotsissa noin neljäsosa WHO:n raja-arvosta 100 μg/m³ , ja 2010-luvulla Suomessa toteutetun Insulate-projektin perusteella formaldehydipitoisuuksien mediaanit suomalaisissa kerrostaloasunnoissa olivat 18,4 μg/m³ ennen energiaparannuksia ja 16,7 μg/m³ niiden jälkeen eli samaa suuruusluokkaa kuin ruotsalaisissa asunnoissa .
Alifaattisten ja aromaattisten hiilivetyjen esiintyvyys on vähentynyt Suomessa 2010-luvulla, mikä liittyy todennäköisesti rakennusmateriaalipäästöjen vähenemiseen, siivousmenetelmien ja käytettyjen siivousaineiden muutokseen sekä vähäpäästöisten polttoaineiden yleistymiseen. Aldehydien, fenolin, happojen, alkoholi- ja fenolieettereiden, estereiden ja piiyhdisteiden esiintyvyys on kasvanut, mikä liittyy todennäköisesti pääosin rakennus- ja sisustusmateriaalien sekä hygieniatuotteiden ja siivousaineiden muutoksiin ja osin analytiikan kehittymiseen, mihin viittaa keskimääräisten pitoisuuksien aleneminen määritysrajan ylittävissä näytteissä. 
Kemiallisia sisäilmatutkimuksia hyödynnetään Suomessa laajasti osana sisäilmastoselvityksiä sisäilmaongelmien selvittämisessä ja ratkaisemisessa. Suomessa kemiallisten sisäilmatutkimusten tekeminen on säännelty ja niiden suorittamiseen tarvitaan asiantuntijoita, jotka ovat koulutettuja ja pätevöityneitä alalla. Tällaisia säänneltyjä tutkimuksia ovat esimerkiksi ilma- ja pintanäytteiden ottaminen ja analysointi. 
Kemiallisten sisäilmamittausten suorittaminen saattaa olla kallista asiantuntijoiden käyttämisen vuoksi, joten jotkut yritykset tai yksityishenkilöt voivat jättää tekemättä tarvittavat mittaukset kustannuksien vuoksi. Asiantuntijoiden rooli on tärkeä, koska sisäilma-asioissa korostuu kommunikointi ja tulosten tulkinta, eikä yhden mittaustuloksen perusteella voida vielä tehdä kovin pitkälle vietyjä johtopäätöksiä. Asiantunteva laboratorio tarjoaa myös tukea mittaussuunnitelman laadintaan ja neuvoja siihen, mikä on kustannustehokkain ja tarkoituksenmukaisin tutkimusmenetelmä kussakin tapauksessa.