Developing filters for laundry machines to prevent microfiber release
Ev tipi çamaşır makineleri için mikrofiber salınımını engelleyen filtrelerin geliştirilmesi
- Tez No: 919735
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İPEK YALÇIN ENİŞ, DOÇ. DR. HANDE SEZGİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 92
Özet
Mikroplastikler (MP'ler), modern çağın en yaygın çevresel kirleticilerinden biri olarak ekosistemler ve insan sağlığı üzerinde derin etkiler oluşturmaktadır. Bunlar arasında, sentetik tekstillerden kaynaklanan mikroplastik lifler, çamaşır yıkama sırasında oluşan oldukça önemli bir kirlilik kaynağıdır. Bu lifler, yıkama döngüleri sırasında serbest bırakılmakta, küçük boyutları nedeniyle standart atık su arıtma süreçlerinden geçmekte ve sucul, karasal ve hatta atmosferik ortamlarda birikmektedir. Ortaya çıkan kirlilik, yalnızca deniz yaşamı için değil, aynı zamanda bu liflerin besin zincirlerine, su kaynaklarına ve soluduğumuz havaya girmesiyle insan sağlığı için de riskler oluşturmaktadır. Mevcut eğilimler devam ederse, 2050 yılına kadar 22 milyon tondan fazla sentetik lifin çevreye salınacağı tahmin edilmekte olup, bu durum kritik bir çevre ve halk sağlığı sorunu haline gelmektedir. Bu tez, mikroplastik kirliliği sorununu ele alarak, ev tipi çamaşır makineleri için tekstil tabanlı filtreleme sistemlerinin tasarımı, geliştirilmesi ve optimize edilmesine odaklanmaktadır. Temel amaç, mikroplastik liflerin kaynağında atık suya salınımını önlemektir. Tekstil üretimindeki değişiklikleri veya atık sonrası iyileştirme stratejilerini hedef alan geniş kapsamlı yaklaşımların aksine, bu çalışma etkili filtreleme mekanizmalarını çamaşır makinelerine entegre ederek kaynak azaltımını vurgulamaktadır. Bu araştırma, tekstil mühendisliğindeki gelişmelerden yararlanarak, çamaşır yıkama makinelerinin işlevselliğini etkilemeden mikroplastik lif tutma kapasitelerini maksimize eden optimum malzemeleri, yapısal konfigürasyonları ve tasarımları belirlemektedir. Tez, mikroplastiklerin özellikle tekstillerden kaynaklanan çevresel önemini vurgulayan kapsamlı bir literatür incelemesi ile başlamaktadır. Mikroplastik kirliliğinin %34,8'ini oluşturan mikroplastik lifler, polyester ve poliamid gibi hammaddelere sahip sentetik giysilerin yıkanması sırasında salınmakta ve bu malzemeler küresel tekstil üretiminin önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Tek bir yıkama döngüsü sırasında yüz binlerce ila milyonlarca lif salımı gerçekleştmekte, bu lifler geleneksel atık su arıtma süreçlerinden kaçmakta ve doğal çevreye sızmaktadır. Bu lifler yalnızca deniz ve kara organizmaları tarafından sindirilmekle kalmamakta, aynı zamanda insan gıda kaynaklarında, içme suyunda ve havada tespit edilmekte, oksidatif stres, hormonal bozukluklar ve hatta kanser gibi önemli sağlık riskleri taşımaktadır. Çevresel inceleme, mevcut filtreleme sistemlerinin sınırlamalarını da ortaya koymaktadır. Guppyfriend çantalar ve Cora Ball gibi bazı ticari ürünler yıkama sırasında liflerin bir kısmını yakalasa da, sorunun büyüklüğünü ele almak için yetersiz kalmaktadır. Benzer şekilde, mevcut atık su arıtma tesisleri, özellikle en küçük parçacıklar söz konusu olduğunda, mikroplastik liflerin uzaklaştırılmasında yalnızca kısmen etkilidir. Bu nedenle, filtreleme sistemlerinin doğrudan çamaşır makinelerine entegre edilmesi, pratik ve etkili bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Tezin deneysel bölümü, özellikle ev tipi çamaşır makineleri için tasarlanmış dokuma kumaş bazlı filtrelerin geliştirilmesi ve test edilmesine odaklanmaktadır. İncelenen temel değişkenler arasında iplik yapısı, filaman sayısı, dokuma deseni ve atkı sıklığı yer almaktadır. Bu parametreler, filtreleme verimliliği, dayanıklılık ve çamaşır makinesi işlemleriyle uyum üzerinde önemli etkiye sahip oldukları için seçilmiştir. Üç farklı polyester iplik türü (monofilament, 36 filamentli multifilament ve 96 filamentli multifilament) kullanılarak 12 kumaş örneği üretilmiş ve bu örnekler; gramaj, kalınlık, çekme mukavemeti, yırtılma mukavemeti, sertlik, hava geçirgenliği ve vakum filtrasyon verimliliği gibi fiziksel ve fonksiyonel özellikler açısından incelenmiştir. Numuneler, bezayağı ve 2/2 dimi dokuma yapılarında, iki farklı atkı sıklığında (33 ve 17 atkı/cm) üretilmiştir. Ayrıca, yüzey morfolojileri, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, tüm örneklerde artan atkı sıklığının gramaj ve kalınlık değerlerini artırdığını göstermiştir. Dimi kumaşlar genellikle bezayağı kumaşlardan biraz daha yüksek gramajlara ulaşmış olsa da, bu fark istatistiksel olarak anlamlı bulunmamıştır. Dimi kumaşlar, bezayağı kumaşlara kıyasla daha kalın olup, bu durum dimi dokuma yapılarındaki çözgü ipliklerinin gevşek ve hacimli bir yapıya izin veren“atlamalı”yapısından kaynaklanmaktadır. Çekme mukavemeti açısından bezayağı yapılar, daha fazla bağlantı noktaları sayesinde dimi kumaşlardan daha iyi performans sergilemiştir ve artan iplik sayısı çekme mukavemetini daha da artırmıştır. Yırtılma mukavemetinde ise, daha az bağlantı noktası olan dimi kumaşlar bezayağına kıyasla daha yüksek direnç göstermiştir, çünkü iplikler hareket ederek bir araya toplanmakta ve kuvvete karşı birden fazla ipliğin eş zamanlı kırılmasına neden olmaktadır. Ayrıca, dimi kumaşlar, daha açık yapıları sayesinde daha yüksek hava geçirgenliği göstermiştir. Araştırma ayrıca iplik tipi (monofilament vs. multifilament) gibi filtre tasarımındaki daha geniş hususları da incelemiştir. Düz yüzeyleriyle karakterize edilen monofilament iplikler, dayanıklılık açısından avantajlar sunmuş ancak daha küçük partiküllerin yakalanmasında daha az etkili olmuştur. Buna karşılık, daha yüksek yüzey alanlarına sahip multifilament ipliklerle dokunmuş kumaşlar, daha büyük filtreleme verimliliği göstermiş ancak tıkanma ve su akış hızında azalma eğilimi göstermişlerdir. Çalışma, her iki iplik tipinin de güçlü yönlerini birleştiren hibrit bir filtre tasarımının en uygun çözümü sağlayacağını sonucuna varmıştır. Sertlik testleri, monofilament ipliklerin multifilament ipliklere kıyasla daha yüksek sertlik sergilediğini ortaya koymuştur. Hava geçirgenliği testleri ise dimi dokuma yapıların ve monofilament ipliklerin daha yüksek hava geçirgenliği sağladığını göstermiştir. Tüm bu bulgular, kumaş yapısının, iplik türünün ve atkı sıklığının filtrasyon verimliliği ve fiziksel dayanıklılık üzerinde kritik bir etkiye sahip olduğunu vurgulamaktadır. Vakum filtrasyon testleri, düz dokuma kumaşların dimi dokuma kumaşlara kıyasla daha yüksek mikroplastik lif yakalama kapasitesine sahip olduğunu ortaya koymuştur. Bu durum, bezayağı kumaşların daha sıkı yapısı ve daha küçük gözenek boyutlarıyla ilişkilendirilmiştir. En yüksek filtrasyon verimliliği, %96.60 ile 36 filamentli, 33 atkı/cm sıklığında ve bezayağı dokuma yapıya sahip P36T-33-P örneğinde elde edilmiştir. Bu örneği, dimi dokuma versiyonu P36T-33-T (%92.87) ve bezayağı dokuma P36T-17-P (%92.30) takip etmiştir. Monofilament ipliklerle üretilen kumaşlarda filtrasyon verimliliği genellikle %90'ın altında kalmıştır. Elde edilen sonuçlar, daha sıkı yapı ve daha yüksek sıklığa sahip dokuma filtrelerin üstün mikroplastik lif tutma yeteneği sergilediğini göstermiştir. Ancak, bu konfigürasyonlar, basınç düşüşünde artış ve mekanik dayanıklılıkta azalma gibi zorluklar da ortaya çıkarmıştır. Bu durum, filtreleme verimliliği ile operasyonel pratiklik arasında dikkatli bir denge gerektirmektedir. Tez, bulgularını mikroplastik kirliliğini azaltmaya yönelik daha geniş bir bağlamda ele almıştır. Çalışma ayrıca, Avrupa Birliği'nin plastik kirliliğiyle ilgili son girişimlerinde önerildiği gibi, yeni çamaşır makinelerine etkili filtreleme sistemlerinin dahil edilmesini zorunlu kılacak düzenleyici eylemlerin gerekliliğini vurgulamaktadır. Bilimsel katkılarının yanı sıra, bu tez, küresel çevre sorunlarının çözümünde akademisanayi işbirliklerinin potansiyelini vurgulamaktadır. Araştırma, pratik ve ölçeklenebilir çözümler geliştirmek için sanayi paydaşlarıyla işbirliği içinde yürütülmüştür. Bulgular, akademiye olduğu kadar, mikroplastik kirliliğinin etkilerini azaltmak için çalışan üreticilere, politika belirleyicilere ve çevre kuruluşlarına da uygulanabilir bilgiler sunmaktadır. Sonuç olarak, bu tez, mikroplastik kirliliğine karşı mücadelede, acil bir çevresel soruna bilimsel temelli, pratik bir çözüm sunarak önemli bir adım atmaktadır. Tekstil mühendisliği ilkelerini gerçek dünya uygulamalarıyla birleştiren araştırma, mikroplastik liflerin kaynağında azaltılması için bir yol sunmakta ve çevre ile halk sağlığını koruma hedefine katkıda bulunmaktadır. Bu çalışmada önerilen yenilikçi filtreleme sistemleri, ev tipi çamaşır yıkama uygulamalarını dönüştürme ve sürdürülebilir tekstil yönetimi için yeni bir standart belirleme potansiyeline sahiptir.
Özet (Çeviri)
Microplastics (MPs) represent one of the most pervasive environmental pollutants in the modern era, with profound implications for ecosystems and human health. Among these, microplastic fibers originating from synthetic textiles during laundering are a particularly significant source of pollution. These fibers are released during washing cycles, bypass standard wastewater treatment processes due to their small size, and accumulate in aquatic, terrestrial, and even atmospheric environments. The resulting contamination poses risks not only to marine life but also to human health, as these fibers enter food chains, water supplies, and the air creatures breathe. If current trends persist, it is projected that over 22 million tons of synthetic fibers will be discharged into the environment by 2050, making this a critical environmental and public health issue. This thesis tackles the urgent problem of microplastic fiber pollution by focusing on the design, development, and optimization of textile-based filtration systems for household washing machines. The primary objective is to prevent the release of microplastic fibers into wastewater at their source. Unlike broad strategies that target post-discharge remediation or changes in textile production, this study emphasizes source reduction through effective filtration mechanisms integrated into washing machines. By leveraging advancements in textile engineering, the research identifies optimal materials, structural configurations, and designs that maximize microplastic fiber capture without compromising the functionality of washing machines. The thesis commences with a comprehensive review of the literature, which underscores the environmental significance of microplastics, particularly those derived from textiles. Microplastic fibers, which account for 34.8% of global microplastic pollution, are released during the washing of synthetic garments, such as polyester and polyamide, which constitute a significant portion of global textile production. A single wash cycle can shed hundreds of thousands to millions of fibers, which subsequently evade conventional wastewater treatment and infiltrate natural environments. These fibers are not only ingested by marine and terrestrial organisms but have also been detected in human food sources, drinking water, and the air, posing significant health risks such as oxidative stress, hormonal disruption, and even cancer. The environmental review also highlights the limitations of existing filtration systems. While some commercially available products, such as Guppyfriend bags and Cora Balls, capture a fraction of the fibers during laundering, they are insufficient to address the magnitude of the problem. Similarly, current wastewater treatment plants are only partially effective in removing microplastic fibers, especially the smallest particles. Consequently, integrating filtration systems directly into washing machines emerges as a practical and impactful solution. The experimental section of this thesis focuses on developing and testing woven textile-based filters designed specifically for household washing machines. Key variables examined include yarn structure, number of filaments, weave pattern, and weft density. These parameters were selected for their significant impact on filtration efficiency, durability, and compatibility with washing machine operations. Twelve fabric samples were produced using three different types of polyester yarns (monofilament, 36-filament multifilament, and 96-filament multifilament) and assessed for physical and functional properties, including basis weight, thickness, tensile strength, tear strength, stiffness, air permeability, and vacuum filtration efficiency. The samples were manufactured with plain and 2/2 twill weaves at two different weft densities (33 and 17 picks/cm). Additionally, surface morphologies were examined using scanning electron microscope (SEM). The results showed that increasing weft density led to higher basis weight and thickness across all samples. While twill weave fabrics generally exhibited slightly higher basis weight than plain weaves, the differences were not statistically significant. Twill weave fabrics consistently demonstrated greater thickness than plain weaves, attributed to the float structure in twill weaves that creates a looser and bulkier fabric. For tensile strength, plain weaves outperformed twill weaves due to their higher interlacing points, and an increase in yarn count further enhanced tensile strength. Regarding tear strength, loosely constructed fabrics with fewer interlacing points exhibited higher resistance in twill weaves as yarns moved and bunched together under force. Twill weave structures also had higher air permeability due to their more open structure. This research also explored broader considerations in filter design, including the influence of yarn type (monofilament vs. multifilament). Monofilament yarns, characterized by their smooth surfaces, exhibited advantages in terms of durability but were less effective at capturing smaller particles. In contrast, multifilament yarns, with their higher surface areas, demonstrated greater filtration efficiency but were prone to clogging and reduced throughput. The study concluded that an optimal filter design would likely involve a hybrid approach that combines the strengths of both yarn types. Stiffness tests confirmed that monofilament yarns exhibited greater rigidity than multifilament yarns, while air permeability tests showed higher values for twill weave and monofilament fabrics. These findings underscore the critical influence of fabric structure, yarn type, and weft density on both filtration efficiency and physical durability. Vacuum filtration tests revealed that plain weave fabrics had superior microplastic retention compared to twill weaves, owing to their compact structure and smaller pore sizes. The highest filtration efficiency, 96.60%, was achieved by the plain weave sample P36T-33-P, made with 36-filament yarns at a weft density of 33 picks/cm. This was followed by its twill counterpart P36T-33-T (92.87%) and the plain weave sample P36T-17-P (92.30%). Monofilament fabrics generally demonstrated filtration efficiencies below 90%. Results of the experiments revealed that woven filters with tighter structures and higher densities demonstrated superior microfiber retention capabilities. However, these configurations also may pose challenges such as increased pressure drop and reduced mechanical durability, necessitating a careful balance between filtration efficiency and operational practicality. The thesis further contextualizes its findings within the broader landscape of microplastic pollution mitigation. The research also emphasizes the need for regulatory action to mandate the inclusion of effective filtration systems in new washing machines, as proposed by the European Union's recent initiatives on plastic pollution. In addition to its scientific contributions, this thesis underscores the potential for academia-industry partnerships in addressing global environmental challenges. The research was conducted in collaboration with industry stakeholders, leveraging their resources and expertise to develop practical, scalable solutions. The findings are not only relevant to the academic community but also offer actionable insights for manufacturers, policymakers, and environmental organizations working to mitigate the impacts of microplastic pollution. In conclusion, this thesis marks an important progress in addressing microplastic pollution by presenting a scientifically supported and practical approach to a critical environmental challenge. By integrating textile engineering principles with real-world applications, the research offers a pathway for reducing microfiber emissions at their source, thereby contributing to the broader goal of preserving environmental and public health. The innovative filtration systems proposed in this study have the potential to transform household laundry practices and set a new standard for sustainable textile management.
Benzer Tezler
- Nem alma prosesinde buharlaştırıcı yapısının yoğuşma verimine etkisi
Effect of fin structure and surface type of the evaporator efficiency on dehumidification process
GÖKHAN SIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
- Akım kaynaklı aktif güç filtresi için çeşitli kontrol yöntemlerinin karşılaştırılması
Comparison of various control techniques for a current source active power filter
TÜLAY AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. IŞIK ÇADIRCI
- Bulanıklık operatör bilgisi olmadan süper-çözünürlüklü görüntü elde edilmesi
Image super-resolution for non-existent blur operators
FATİH KARA
Doktora
Türkçe
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CABİR VURAL
- Filtreler ve harmoniklerin azaltılması
Başlık çevirisi yok
PINAR ÖNDER
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLDEREN YILDIRMAZ
- Yüksek boyutlu model gösterilimi ve çok değişkenliliği yükseltilmiş çarpımlar gösterilimi ile görüntü üzerindeki gürültüleri giderme
Image denoising via high dimensional model representation and enhanced multivariate product representation
SENA KAÇAR
Doktora
Türkçe
2024
Matematikİstanbul Teknik ÜniversitesiMatematik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU TUNGA