МЕМБРА́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ

МЕМБРА́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ, ос­но­ван на про­те­ка­нии ка­та­ли­тич. ре­ак­ции в объ­ё­ме или на внеш­ней (гео­мет­ри­че­ской) по­верх­но­сти мем­бра­ны-ка­та­ли­за­то­ра, раз­де­ляю­щей ре­ак­ци­он­ную сис­те­му на час­ти с разл. фа­зо­вым и/или хи­мич. со­ста­вом. Ма­те­риа­лом мем­бра­ны мо­жет слу­жить ка­та­ли­ти­че­ски ак­тив­ное ве­ще­ст­во (при­ме­ры та­ких мем­бран-ка­та­ли­за­то­ров – пал­ла­дие­вая фоль­га, пла­сти­ны пе­но­метал­лов) или ком­по­зит, со­стоя­щий из струк­тур­но не­од­но­род­ных сло­ёв – ка­та­ли­ти­че­ски ак­тив­но­го ком­по­нен­та и инерт­но­го но­си­те­ля (напр., тон­кая плён­ка пал­ла­дия на ке­ра­мич. ос­но­ве). Мем­бран­ные ка­та­ли­за­то­ры обыч­но из­го­тав­ли­ва­ют в ви­де пла­стин или тру­бок.

Раз­ли­ча­ют мо­но­лит­ные (сплош­ные) и по­рис­тые мем­бран­ные ка­та­ли­за­то­ры. Мо­но­лит­ные ка­та­ли­за­то­ры не име­ют сквоз­ных пор и обес­пе­чи­ва­ют из­би­ра­тель­ный пе­ре­нос че­рез мем­бра­ну од­но­го или не­сколь­ких ве­ществ, уча­ст­вую­щих в ре­ак­ции, в ви­де ио­нов (напр., пе­ре­нос анио­нов ки­сло­ро­да че­рез мем­бра­ну, из­го­тов­лен­ную из ди­ок­си­да цир­ко­ния) или ато­мов (напр., ато­мар­но­го во­до­ро­да че­рез мем­бра­ну из ме­тал­лич. пал­ла­дия или ато­мар­но­го ки­сло­ро­да че­рез мем­бра­ну из ме­тал­лич. се­реб­ра), об­ра­зую­щих­ся при дис­со­циа­ции мо­ле­кул на мем­бра­не. В по­рис­тых ка­та­ли­за­то­рах пе­ре­нос ве­ще­ст­ва про­ис­хо­дит по сквоз­ным по­рам ком­по­зит­но­го ма­те­риа­ла мем­бра­ны, а ка­та­ли­ти­че­ски ак­тив­ный ком­по­нент мо­жет быть ли­бо рас­пре­де­лён по объ­ё­му мем­бра­ны, ли­бо скон­цен­три­ро­ван вбли­зи её внеш­ней по­верх­но­сти. Из­вест­ны так­же жид­кие мем­бран­ные ка­та­ли­за­то­ры, обыч­но пред­став­ляю­щие со­бой по­рис­тые мем­бран­ные ка­та­ли­за­то­ры, внут­рен­ний объ­ём пор ко­то­рых за­пол­нен жид­ко­стью (рас­пла­вом, рас­тво­ром), не сме­ши­ваю­щей­ся с внеш­ней сре­дой и обес­пе­чи­ваю­щей из­би­ра­тель­ный пе­ре­нос ве­ществ че­рез мем­бра­ны в ви­де, напр., ио­нов.

Для уве­ли­че­ния про­ни­цае­мо­сти мем­бран­ных ка­та­ли­за­то­ров с из­би­ра­тель­ным пе­ре­но­сом ве­ществ, уча­ст­вую­щих в ка­та­ли­тич. ре­ак­ции, мем­бра­ну-ка­та­ли­за­тор не­ред­ко из­го­тав­ли­ва­ют из мно­го­слой­но­го ком­по­зит­но­го ма­те­риа­ла, вклю­чаю­ще­го ме­ха­ни­че­ски проч­ный ме­тал­ли­че­ский, ке­ра­ми­че­ский или по­ли­мер­ный но­си­тель с ши­ро­ки­ми сквоз­ны­ми по­ра­ми, пе­ре­кры­ты­ми тон­ки­ми (тол­щи­ной от еди­ниц до де­сят­ков мик­ро­мет­ров) слоя­ми мо­но­лит­но­го мем­бран­но­го ка­та­ли­за­то­ра или ве­ще­ст­ва, об­ла­даю­ще­го мо­ле­ку­ляр­но-си­то­вы­ми свой­ст­ва­ми (напр., це­о­ли­та).

По­рис­тые мем­бран­ные ка­та­ли­за­то­ры боль­шой тол­щи­ны (мас­сив­ные) ис­поль­зу­ют для по­вы­ше­ния объ­ём­ной про­из­во­ди­тель­но­сти ка­та­ли­тич. ре­ак­то­ра за счёт уве­ли­че­ния объ­ём­ной кон­цен­тра­ции на­не­сён­но­го на по­верх­ность пор мем­бра­ны ка­та­ли­ти­че­ски ак­тив­но­го ком­по­нен­та (уве­ли­че­ния кон­цен­тра­ции ка­та­ли­ти­че­ски ак­тив­ных цен­тров) и, в слу­чае из­го­тов­ле­ния мем­бра­ны из вы­со­ко­те­п­ло­про­вод­но­го ве­ще­ст­ва, для улуч­ше­ния те­п­ло­пе­ре­но­са в слое ка­та­ли­за­то­ра, что важ­но для осу­ще­ст­в­ле­ния ка­та­ли­тич. ре­ак­ций со зна­чи­тель­ны­ми те­п­ло­вы­ми эф­фек­та­ми.

Ис­поль­зо­ва­ние мем­бран­ных ка­та­ли­за­то­ров с из­би­ра­тель­ным пе­ре­но­сом ве­ществ че­рез мем­бра­ну по­зво­ля­ет кон­тро­ли­ро­вать по­сту­п­ле­ние ис­ход­ных для ка­та­ли­тич. ре­ак­ции ве­ществ или от­вод по­лу­чаю­щих­ся про­дук­тов и та­ким об­ра­зом из­бе­гать об­ра­зо­ва­ния взры­во­опас­ных ре­ак­ци­он­ных сред ли­бо ис­клю­чать тру­до­ём­кую опе­ра­цию раз­де­ле­ния ис­ход­ных или ко­неч­ных ре­ак­ци­он­ных сме­сей. Напр., из­би­ра­тель­ная по­да­ча в ка­та­ли­тич. ре­ак­тор толь­ко ки­сло­ро­да из воз­ду­ха по­зво­ля­ет из­бе­жать ста­дии уда­ле­ния из про­дук­тов ре­ак­ции инерт­но­го бал­ласта – азо­та. За счёт из­би­ра­тель­но­го пе­ре­но­са ве­ществ че­рез мем­бра­ну и не­пре­рыв­но­го из­би­ра­тель­но­го от­бо­ра с од­ной из сто­рон мем­бра­ны про­дук­тов ка­та­ли­тич. ре­ак­ции так­же мож­но в ря­де слу­ча­ев вли­ять на глу­би­ну про­те­ка­ния, уве­ли­чи­вать ско­рость или се­лек­тив­ность ка­та­ли­тич. про­цес­сов по срав­не­нию с ана­ло­гич­ны­ми не­мем­бран­ны­ми ка­та­ли­тич. про­цес­са­ми.

В ус­ло­ви­ях М. к. те­п­ло­та, ко­то­рая вы­де­ля­ет­ся в эк­зо­тер­мич. про­цес­сах, про­ис­хо­дя­щих на од­ной по­верх­но­сти мем­бра­ны, пе­ре­да­ёт­ся за счёт те­п­ло­про­вод­но­сти на дру­гую по­верх­ность и об­лег­ча­ет про­ве­де­ние на этой по­верх­но­сти эн­до­тер­мич. про­цес­сов. Про­те­каю­щие при этом по раз­ные сто­ро­ны мем­бра­ны ка­та­ли­тич. про­цес­сы мо­гут быть как не­за­ви­си­мы­ми, так и со­пря­жён­ны­ми по к.-л. из­би­ра­тель­но про­ни­каю­ще­му че­рез мем­бра­ну реа­ген­ту. Напр., в слу­чае ис­поль­зо­ва­ния пал­ла­дие­вой во­до­род­про­во­дя­щей мем­бра­ны эн­до­тер­мич. ре­ак­ция де­гид­ри­ро­ва­ния по од­ну сто­ро­ну мем­бра­ны мо­жет быть со­пря­же­на с эк­зо­тер­мич. ре­ак­ци­ей гид­ри­ро­ва­ния по дру­гую сто­ро­ну мем­бра­ны.

По прин­ци­пу М. к. функ­цио­ни­ру­ет боль­шин­ст­во уст­ройств ти­па то­п­лив­ных эле­мен­тов, в ко­то­рых элек­тро­ды на по­верх­но­сти мо­но­лит­ной ке­ра­ми­че­ской, по­ли­мер­ной или жид­кой (рас­плав кар­бо­на­та ще­лоч­но­го ме­тал­ла в по­рах) мем­бра­ны иг­ра­ют од­но­вре­мен­но роль ка­та­ли­за­то­ров окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. пре­вра­ще­ний суб­стра­тов, ис­поль­зуе­мых в ка­че­ст­ве то­п­ли­ва. По ме­ха­низ­му М. к. про­ис­хо­дят важ­ней­шие про­цес­сы ме­та­бо­лиз­ма в жи­вых ор­га­низ­мах с уча­сти­ем фер­мен­тов, за­кре­п­лён­ных внут­ри ли­пид­ных мем­бран с из­би­ра­тель­ной про­ни­цае­мо­стью.