Electrochemically enhanced processes for leather tanning

In this thesis work, an electrochemical enhancement of tanning has been proposed instead of standard tanning. Leather production involves serial operations where the tanning plays the major role in improving the durability of leather products by forming durable linkage between the tanning agents and the collagen. Different agents are used, but the most important is chromium. However, nowadays there is a growing demand for a cleaner, but still effective alternative for production processes. In the traditional tanning process, the penetration of these agents inside the skin is directed by diffusion based on a concentration gradient. In this study, a new tanning approach has been tested: the influence of the application of an external electric filed, within two electrodes, on the tanning method. An improvement in the efficiency is expected due to the positive charge acquired by the agents (Cr, Ti, Zr and Fe) complexes in tanning solutions and the possibility to control the bath pH by exploiting the side reactions at the two electrodes. Preliminary studies were conducted to evaluate the best tanning solution and tanning parameters (current density, temperature and pH) which guarantees the highest efficiency of the process and quality of the tanned leather: this was detected by the use of x-ray fluorescence. More accurate analysis were performed to define the amount of agent in the skin, its distribution and the fibre morphology after the treatment (IGP-OES, SEM + EDS). The new tanning techniques shows better performance than the standard one, resulting in a higher agent uptake in the same amount of time, leading to a shorter process time. A new titanium tanning process has been proposed during this study. Titanium complexes are no more supplied by external salts, but they are provided by the dissolution of a titanium anode, leading to a greener and more eco-friendly technology. Again, the basification process has been modified: the pH raising was obtained by employing the side reactions at the cathode electrodes, without addition of external chemicals. Thermal stability of the leather was evaluated by conventional differential scanning calorimetry. This study confirms that tanning assisted by an external electric field is an effective and eco-friendly tanning process which can produce a quality leather product in a shorter process time and, in some case, without the external addiction of chemicals (Ti-tanning and basification).

In questa tesi viene presentata una nuova ed efficiente tecnica di concia basata sull’elettrochimica. La produzione del cuoio si basa su una serie di processi tra i quali la concia ricopre il ruolo più importante, conferendo durabilità e resistenza termica alla pelle grazie alla formazione di legami permanenti tra gli agenti concianti e le fibre di collagene. Numerosi sono gli agenti concianti utilizzati, tra cui spicca il cromo. Tuttavia, l’odierna richiesta impone l’utilizzo di processi alternativi il più eco-sostenibili possibili, ma che siano anche dotati di una buona resa e qualità del prodotto finale. Nel processo di concia tradizionale, la penetrazione dei concianti all’interno della pelle è coadiuvata dalla diffusione, basata sul gradiente di concentrazione che si crea tra la pelle e la soluzione. In questo studio, è stato testato un nuovo processo: l’influenza, sulla concia, dell’applicazione di un campo elettrico esterno tra due elettrodi. Quello che ci si aspetta è un incremento dell’efficienza del processo di concia, dovuto alla carica positiva che gli agenti concianti (Cr, Ti, Zr e Fe) acquisiscono una volta inseriti nel bagno. Sfruttando l’elettrochimica, in particolare le side-reactions al catodo è possibile anche controllare il pH di processo. Le prime prove si sono concentrate sull’ottimizzazione dei parametri di esercizio (temperatura, densità di corrente, pH), in modo da ottenere un processo il più efficiente possibile e la miglior qualità di pelle conciata: tale analisi sono state condotte grazie all’utilizzo della fluorescenza a raggi X. Test più accurati sono serviti per definire la quantità (% massa del campione) di agente conciate effettivamente assorbito nella pelle, la sua distribuzione e la morfologia delle fibre dopo il trattamento (SEM + EDS, ICP-OES). Il nuovo processo di concia introdotto mostra una maggiore efficienza rispetto a quello standard, esibendo un maggior assorbimento dell’agente conciate nello stesso intervallo di tempo, cosa che si traduce in una diminuzione drastica dei tempi di concia. Nello stesso tempo, una nuova tecnica di concia al titanio è stata sviluppata: essa si basa su un processo che non necessità più dell’aggiunta di sali di titanio come fonte del conciante, ma il titanio stesso viene fornito direttamente dalla dissoluzione di un anodo (in titanio), riducendo così l’impatto ambientale. Anche lo step di basificazione è stato oggetto di studio: la basificazione, o aumento del pH di soluzione, può avvenire elettrochimicamente sfruttando le side-reaction al catodo, evitando di aggiungere altre sostanze chimiche al bagno di concia. In questo caso, la stabilità termica del prodotto finale è stata testata utilizzando la calorimetria differenziale a scansione. Questo studio conferma la praticabilità del progetto, ovvero una concia assistita da un campo elettrico esterno, che guarda verso un processo più efficiente ed eco-sostenibile rispetto alla concia tradizionale, ma in grado comunque di fornire un prodotto finale di ottima qualità.