Если мембрана расположена на границе реакционной зоны, то при проведении обратимых реакций можно организовать непрерывное селективное удаление продуктов, постоянно смещать равновесие и достичь высокой степени конверсии исходных веществ. Однако, если реакция протекает внутри или на поверхности мембраны-катализатора и сочетается с контролируемым поступлением исходных веществ или отводом получающихся продуктов, то сопутствующие при традиционном способе проведения процесса операции разделения и очистки оказываются ненужными. Такие мембраны называются реакционными, а сам процесс – мембранным катализом.

Мембранный катализ впервые был осуществлен в реакциях гидрирования углеводородов на мембранах-катализаторах из палладия и его сплавов, обладающих высокой проницаемостью по водороду и образующих каталитически активные формы адсорбированного атомарного водорода. Позднее были реализованы процессы окисления этилена и пропилена в соответствующие эпоксиды с помощью мембран-катализаторов на основе оксидов переходных и редких металлов, обладающих высокой проводимостью ионов кислорода при повышенных температурах и, соответственно, разности электрических потенциалов. Оказалось, что селективность такого процесса существенно выше, чем при подаче в систему молекулярного кислорода.

В мембранном катализе используют монолитные, пористые и композиционные мембранные катализаторы. Последние представляют собой пористый носитель, на который нанесен тонкий слой каталитически активного вещества. Мембранный катализ позволяет создавать непрерывные малостадийные процессы получения целевых продуктов. Например, теплота, которая выделяется на одной стороне поверхности катализатора при протекании экзотермической реакции, может быть использована для осуществления эндотермического превращения на другой стороне без дополнительных теплообменных устройств. Так, сопряжение дегидрирования нафтенов и олефинов с гидродеалкилированием гомологов бензола на монолитных мембранных катализаторах повышает скорости обеих реакций и выход целевых продуктов по сравнению с раздельным протеканием этих превращений.

Уникальными каталитическими свойствами обладают так называемые мембранные биореакторы, полученные иммобилизацией ферментов на полимерных или керамических ультрафильтрах. В этом случае наряду с ферментативными реакциями происходит фильтрация целевых продуктов. Известны процессы, в которых мембранные узлы обеспечивают подвод в биореактор исходных веществ, стерилизацию подаваемого воздуха, удаление метаболитов, очистку отходящих вод и др.

Мембраны могут содержать активный компонент или переносчик, взаимодействующий с проникающими веществами и увеличивающий их поток. Это явление получило название облегченный транспорт, который типичен для переноса через жидкие мембраны.

Такие мембраны представляют собой прослойку жидкости, разделяющей два раствора, в которых эта жидкость не растворяется. Прослойка может быть толстой или очень тонкой, свободной или нанесенной на твердый пористый материал, обеспечивающий механическую устойчивость (импрегнированные мембраны). Как бы ни был организован процесс с участием жидких мембран, общим для него является наличие “принимающей” и “отдающей” границ раздела фаз, на которых осуществляется экстракция и реэкстракция переносимых компонентов.

2 HCO₃^– ® CO₂ + CO₃^2– + H₂O.

Процесс ускоряется при наличии катализаторов, в роли которых выступают анионы слабых кислот, например, мышьяковистой.

Механизм автоколебаний заключается в периодическом возникновении и коллапсе микропор в активном слое ПВТМС. С ростом концентрации ПАВ (изопропанола) происходит уменьшение поверхностной энергии на границе полимер–раствор до критической величины, при которой имеющиеся внутренние напряжения локально превысят прочность материала, а затем его локально разрушат с образованием микропор. Явление понижения прочности материала при сорбции ПАВ получило название эффекта Ребиндера.

Известно, что автоколебания являются внутренним свойством динамических систем. Они возникают, когда имеется непериодический источник энергии, а в самой системе можно выделить как минимум две подсистемы с обратной связью. В данном случае источником энергии является поле внутренних напряжений в активном слое мембраны, а подсистемами служат каналы переноса массы по сплошной структуре полимера и по возникающим порам. Обратная связь между каналами переноса осуществляется за счет того, что дифильные молекулы ПАВ адсорбированы на стенках пор неполярного полимера гидрофобной частью, а гидрофильная часть ПАВ ориентирована в объем поры. Гидрофилизация поверхности микропоры способствует преимущественному переносу более полярных молекул воды и возрастанию потока в целом. Повышенная концентрация воды в порах нарушает сорбционное равновесие, вызывает десорбцию ПАВ, при этом увеличивается поверхностное натяжение, а, следовательно, и силы когезии. Последние стремятся уменьшить поверхность, структура превращается в сплошную, процесс повторяется вновь и продолжается до релаксации внутренних напряжений. Конечное структурное состояние полимера характеризуется устойчивыми порами со слабыми остаточными внутренними напряжениями.

Таким образом, в мембрану поступает сорбционный поток, который распределяется по двум каналам переноса, обладающим существенно различной проводимостью и селективностью. По постоянно действующему диффузионному каналу преимущественно переносится ПАВ, а по мерцающим порам – поверхностно-инактивное вещество. Обратимые структурные переходы играют роль реле обратной связи, дающих команды на включение и отключение стадий течения по порам, что и приводит к колебательному режиму работы мембраны.