La ricerca sui parametri tecnici in grado di intervenire sull’efficacia dei processi produttivi conciari ha da sempre accompagnato l’evoluzione degli approcci tecnologici.
Particolarmente, nell’ambito dei processi a umido numerosi studi sono stati dedicati nel corso dei precedenti decenni alla valutazione degli affetti determinati da parametri come pH, temperatura, composizione, stato e concentrazione del conciante, tempi di lavorazione, sull’efficacia dei processi e sulle caratteristiche merceologiche e prestazionali degli articoli finiti.
Larga parte di tali studi hanno nello specifico esaminato i parametri critici relativi alla cruciale fase di concia; relativamente alla concia al cromo, un aspetto di fondamentale importanza è costituito dalla ricerca delle condizioni ottimali per garantire una efficiente fissazione del conciante, al fine di garantire, oltre all’ottenimento di prodotti ad elevatala prestazione, una minimizzazione dell’’impiattato ambientale determinato dal rilascio di cromo nelle acque e conseguentemente nei fanghi di depurazione; nonostante l’ampia esplorazione di questo tema, che costituisce una delle principali sfide tecnologiche degli ultimi tempi, si stima che nei processi tradizionali, l’esaurimento del cromo durante la concia si attesta intorno al del 60-70%, con conseguente rilascio di quantità significative di cromo nelle acque reflue (Zhang et al., 2016).
Va inoltre aggiunto che la regolazione di parametri come temperatura, pH e tempi di bottalatura, va effettuata tenendo conto, oltre che degli effetti sull’efficienza della concia, anche dei limiti determinati dal conferimento di caratteristiche merceologiche indesiderate sui prodotti finiti; non di rado, difatti, è possibile incorrere in problematiche di danneggiamento strutturale delle pelli e dei cuoi finiti, o modifiche delle loro caratteristiche merceologiche, proprio in seguito all’esposizione di questi ad eccessive sollecitazioni meccaniche o a particolari condizioni di stress termico e chimico, laddove tali problematiche possono determinare ingenti ricadute economiche; vi sono inoltre determinati articoli, come pelli da animali da lana (pecore da lana, ecc.), per i quali bisogna operare evitando di infeltrire e danneggiare il pelo, attraverso approcci alternativi.
All’esigenza di bilanciare le diverse esigenze rappresentate, possono efficacemente rispondere tecnologie che prevedono l’impiego di ultrasuoni e microonde per la lavorazione conciaria.
Gli ultrasuoni (US) sono onde meccaniche sonore caratterizzate da frequenze superiori a 20 KHz, ovvero superiori a quelle udibili dell’essere umano. È sostanzialmente possibile distinguere tra:
- Ultrasuoni a bassa frequenza (20-100 KHz), normalmente usati per scopi industriali;
- Ultrasuoni a media frequenza (100 KHz-1MHz), utilizzati in particolari applicazioni terapeutiche;
- Ultrasuoni ad alta frequenza (1-10MHz) impiegati in applicazioni mediche/diagnostiche.
La prima tipologia di ultrasuoni, è di rilevante interesse per applicazioni in ambito conciario, e particolarmente in riferimento al loro impiego nelle operazioni di concia, laddove agiscono favorendo un’ampia varietà di reazioni e processi chimici, principalmente a causa del fenomeno noto come cavitazione in un mezzo liquido; quando gli ultrasuoni attraversano i liquidi, la vibrazione sonora genera un’onda di pressione locale oltre alla pressione idrostatica ambientale, dando origine a cicli di compressione e rarefazione. Nei cicli di rarefazione, se viene generata una pressione negativa sufficientemente grande, si formeranno delle bolle microscopiche che aumenteranno di dimensioni, fino a quando nel ciclo di compressione successivo si svilupperà una pressione positiva sufficiente a determinarne la rottura. Il collasso improvviso ed esplosivo di queste bolle può generare degli “hot spots”, ovvero fenomeni che ingenerano alta temperatura localizzata, alta pressione, onde d’urto e forti forze di taglio, in grado di rompere i legami chimici. Ad un’interfaccia solido/liquido, la cavitazione può determinare la formazione di micro-getti che lambiscono la superficie solida. La cavitazione pertanto è in grado di determinare una notevole dispersione, emulsione, formazione di micro-getti, nonché effetti elettrici transitori. Per generare cavitazione nell’acqua è necessaria una densità di potenza di US di > 1 W cm-2.
Gli studi effettuati riguardo l’impiego degli ultrasuoni nell’ambito dei processi di concia, evidenziano l’efficacia di tali approcci nel determinare una maggiore fissazione dei concianti, in tempi più rapidi e in condizioni operative più blande rispetto a quelle previste nei processi ordinari, oltre che nel determinare un miglioramento delle misurabile delle prestazioni del materiale, in termini di temperatura di contrazione, proprietà di resistenza meccanica e proprietà merceologico/sensoriali.
L’uso degli US nel processo tradizionale di concia al cromo è stato studiato a diverse condizioni di pH, temperatura, tempi di concia, dosaggio di conciante al cromo e tempo di esposizione agli US, laddove l’esposizione è stata effettuata sia nella fase di preparazione alla concia che durante l’operazione di concia (Mengistie et al., 2016), evidenziando in entrambi i casi un miglioramento dell’assorbimento del cromo (che nel caso di impiego di US in fase di concia può tradursi in un incremento di circa il 30%), con contestuale riduzione dei tempi di concia (fino ad un terzo dei tempi previsti nel processo senza US); è stato inoltre riscontrato un significativo miglioramento delle prestazioni del materiale in termini di temperatura di contrazione. L’impiego di US risulta in definitiva un approccio in grado di migliorare la qualità e la performance dei cuoi, in tempi più brevi rispetto ai processi tradizionali e con minore impiego di concianti. Risultati similari sono stati evidenziati in altri studi (Morera et al., 1010), che hanno peraltro evidenziano anche la possibilità di ottenere risultati soddisfacenti in termini di prestazioni meccaniche (come resistenza alla trazione), in presenza di condizioni operative più blande rispetto ai tradizionali processi.
Risultati similari possono essere ottenuti attraverso l’impiego di microonde (MW), o attraverso l’impego coniugato di ultrasuoni e microonde.
L’impiego delle microonde (che generalmente, per applicazioni civili ei industriali, hanno frequenze impostate a 2450 MHz o 915 MHz), promuove nello specifico una forma di riscaldamento di tipo “endogeno”, ovvero non basato sul trasferimento di calore all’interno dei corpi attraverso la loro superficie esterna, mediante conduzione, convezione o irraggiamento, ma sulla conversione dell’energia di un campo elettromagnetico, di una specifica frequenza, in energia termica, direttamente all’interno dei corpi stessi, risultando potenzialmente in grado di favorire reazioni chimiche e migliorando la resa e le proprietà dei prodotti, in presenza di condizioni operative più blande di quelle tradizionalmente impiegate nei processi produttivi.
In ambito conciario, le microonde sono state impiegate in diverse fasi del processo, come la macerazione, ( J. C. Wu, T. Sun, J. W. Zhang and W. Y. Chen, J. Soc. Leather Technol. Chem., 2018, 102, 204–209.) la tintura, (Y. Gong, K. Cheng, T. Zhang and W. Y. Chen, J. Am. Leather Chem. Assoc., 2011, 106, 127–132.) l’ingrasso (Y. Gong, T. Zhang and W. Y. Chen, J. Am. Leather Chem. Assoc., 2012, 107, 60–67.) e l’essiccazione (J. W. Zhang, C. L. Zhang, J. C. Wu and W. Y. Chen, J. Am. Leather Chem. Assoc., 2017, 112, 135–139.), laddove sono stati ottenuti e prodotti dalle aumentate prestazioni ed è stato riscontrato un miglioramento dell’uniformità nella distribuzione dei prodotti chimici, il cui impiego è stato minimizzato. Relativamente la fase di concia, l’impiego delle microonde è risultato in grado di promuovere una migliore penetrazione dei concianti ed un miglioramento delle proprietà del materiale in termini di temperature di contrazione e proprietà meccaniche, come resistenza alla trazione (Zhang at al., 2020). Risultati incoraggianti sono stati peraltro ottenuti non solo relativamente all’impiego di MW nella concia al cromo, ma anche nell’ambito del loro impiego nella concia al vegetale (Wu, J.C et al., 2019), nell’ambito della quale è stata verificata una aumentata capacità di fissazione dei polifenoli, e nella concia all’alluminio (Yue Liu et al., 2019).
È stata inoltre evidenziata la particolare efficacia dell’impiego di microonde e ultrasuoni anche nel determinare, oltre che migliori prestazioni dei cuoi, la possibilità di impiegare condizioni di processo blande, tempi brevi, riduzione degli agenti chimici e, particolarmente, la possibilità di poter ottenere una soddisfacente stabilizzazione nella concia al cromo senza basificazione (Jinwei Zhang et al., 2019).
Il ricorso a tali tecnologie può peraltro rivelarsi di particolare interesse per il loro possibile impiego nell’ambito dei processi di concia mediante agenti nano-strutturati, come zeoliti di nuova generazione, sia nella fase preparativa, per migliorare la dispersione di tali agenti, sia nella fase di concia, per favorire la penetrazione e la reattività di questi nei confronti del collagene, aprendo pertanto nuove prospettive per lo sviluppo di approcci conciari sempre più efficienti e sostenibili.Interruzione pagina
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A cura di Claudia Florio – Coordinatore Dipartimento Biotecnologie Conciarie