reactor de membrana

Para ser adecuadas para la industria de producción de hidrógeno , las membranas deben tener un alto flujo, alta selectividad hacia el hidrógeno, bajo costo y alta estabilidad. ^{[ 14 ]} Entre las membranas, las inorgánicas densas son las más adecuadas, ya que su selectividad es órdenes de magnitud mayor que la de las porosas. ^{[ 15 ]} Entre las membranas densas, las metálicas son las más utilizadas debido a sus mayores flujos en comparación con las cerámicas. ^{[ 9 ]}

El material más utilizado en las membranas de separación de hidrógeno es el paladio, en particular su aleación con plata. Este metal, aunque más caro que otros, muestra una solubilidad muy alta hacia el hidrógeno. ^{[ 16 ]}

El mecanismo de transporte de hidrógeno dentro de las membranas de paladio sigue un mecanismo de solución/difusión: la molécula de hidrógeno se adsorbe en la superficie de la membrana, luego se divide en átomos de hidrógeno; estos átomos atraviesan la membrana por difusión (véase hidruro de paladio ) y luego se recombinan nuevamente en una molécula de hidrógeno en el lado de baja presión de la membrana; luego, se desorbe de la superficie. ^{[ 14 ]}

En los últimos años, se han realizado varios trabajos para estudiar la integración de membranas de paladio dentro de reactores de membrana de lecho fluidizado para la producción de hidrógeno. ^{[ 17 ]}

Los biorreactores de membrana sumergidos y de flujo lateral en las plantas de tratamiento de aguas residuales son los reactores de membrana basados ​​en filtración más desarrollados. En la configuración sumergida, la membrana se coloca dentro del biorreactor, lo que reduce el costo de operación y el área ocupada. Por otro lado, en la configuración de flujo lateral, la membrana se coloca fuera del biorreactor, lo que facilita la limpieza. Sin embargo, aumenta la energía necesaria para el bombeo. La tecnología MBR es útil para reemplazar los clarificadores tradicionales, ya que retiene toda la biomasa y genera un efluente de alta calidad. Sin embargo, la obstrucción de la membrana es su mayor desventaja. ^{[ 18 ]}

La producción de cloruro (Cl₂ ₎ e hidróxido de sodio (NaOH) a partir de cloruro de sodio (NaCl) se lleva a cabo industrialmente mediante el proceso cloroalcalino, utilizando una membrana polielectrolítica conductora de protones . Este proceso se emplea a gran escala y ha sustituido a la electrólisis de diafragma. Se ha desarrollado Nafion como una membrana bicapa para soportar las condiciones extremas durante la conversión química.

En los sistemas biológicos, las membranas cumplen diversas funciones esenciales. La compartimentación de las células biológicas se logra mediante las membranas. Su semipermeabilidad permite separar las reacciones de sus entornos. Numerosas enzimas están unidas a la membrana y, a menudo, el transporte de masa a través de ella es activo, a diferencia del transporte pasivo que se produce en las membranas artificiales , lo que permite a la célula mantener gradientes, por ejemplo, mediante el transporte activo de protones o agua.

El uso de una membrana natural es el primer ejemplo de su utilización en una reacción química. Aprovechando la permeabilidad selectiva de la vejiga de un cerdo , se puede eliminar el agua de una reacción de condensación para desplazar el equilibrio de la reacción hacia los productos de condensación, según el principio de Le Chatelier .

Dado que las enzimas son macromoléculas y a menudo difieren mucho en tamaño de los reactivos, pueden separarse mediante filtración por exclusión de tamaño con membranas artificiales de ultrafiltración o nanofiltración. Esto se utiliza a escala industrial para la producción de aminoácidos enantiopuros mediante resolución racémica cinética de aminoácidos racémicos derivados químicamente. El ejemplo más destacado es la producción de L- metionina a una escala de 400 t/a. ^{[ 19 ]} La ventaja de este método sobre otras formas de inmovilización del catalizador es que las enzimas no se ven alteradas en su actividad o selectividad, ya que permanecen solubilizadas.

Este principio puede aplicarse a todos los catalizadores macromoleculares que pueden separarse de los demás reactivos mediante filtración. Hasta ahora, solo las enzimas se han utilizado de forma significativa.

En la pervaporación, se utilizan membranas densas para la separación. En estas membranas, la separación se rige por la diferencia del potencial químico de sus componentes. La selectividad del transporte a través de la membrana depende de la diferencia de solubilidad de los materiales y de su difusividad a través de ella. Por ejemplo, para la eliminación selectiva de agua mediante membranas lipofílicas . Esto permite superar las limitaciones termodinámicas de la condensación, como las reacciones de esterificación , eliminando el agua.

En el proceso STAR para la conversión catalítica de metano del _gas natural con oxígeno del aire, a metanol por oxidación parcial 2CH₄ + _O₂${\displaystyle \rightarrow }$2CH ₃ OH.

La presión parcial de oxígeno debe ser baja para evitar la formación de mezclas explosivas y suprimir la reacción sucesiva a monóxido de carbono , dióxido de carbono y agua . Esto se logra mediante un reactor tubular con una membrana selectiva de oxígeno . La membrana permite una distribución uniforme del oxígeno, ya que la fuerza impulsora para su permeación a través de ella es la diferencia de presiones parciales entre el lado del aire y el lado del metano.

Perspectivas y visión de futuro

Los reactores de membrana constituyen una estrategia clave para la intensificación de procesos, ya que permiten superar las limitaciones termodinámicas y simplificar el procesamiento posterior. A pesar de sus ventajas —mayores conversiones, menores temperaturas de operación y reducción de etapas del proceso—, su implementación industrial sigue siendo limitada debido a los desafíos relacionados con la estabilidad, la selectividad y el costo de las membranas, especialmente en condiciones de operación adversas. La investigación actual se centra en membranas a base de paladio para la producción de hidrógeno, reactores de membrana de lecho fluidizado y aplicaciones biológicas o electroquímicas. Se espera que los avances en la ciencia de los materiales y la fabricación faciliten su implementación en la economía del hidrógeno y la producción de productos químicos renovables a medio y largo plazo. ^{[ 20 ]}