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 .
+ Taulukko 1. Sisäympäristöjen yleisimpiä yhdisteryhmiä, esimerkkiyhdisteitä ja tyypillisiä päästölähteitä Yhdisteryhmä Esimerkkiyhdisteitä Päästölähteitä Alifaattiset hiilivedyt Heptaani, oktaani, nonaani Puhdistusaineet, rakennusmateriaalit Aromaattiset hiilivedyt Bentseeni, styreeni, naftaleeni, tolueeni, ksyleeni Ulkoilman kautta sisälle kulkeutuvat liikenteen ja teollisuuden päästöt, tupakointi Terpeenit Limoneeni, alfa-pineeni, 3-kareeni Puhdistusaineet, hajusteet, hygieniatuotteet, puupohjaiset tuotteet, maalit, elintarvikkeet Alkoholit 1-butanoli, 2-etyyli-1-heksanoli PVC-materiaalit Aldehydit Bentsaldehydi, heksanaali, nonanaali, formaldehydi (VVOC-yhdiste) Tupakointi, ruuanlaitto, kynttilöiden poltto, puhdistus- ja desinfiointiaineet, rakennus- ja sisustusmateriaalit kuten parketit ja matot
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)