Preparation and characterization of catalytic membrane reactors

Preparación y caracterización de reactores catalíticos de membrana

Los Reactores Catalíticos de Membrana, RCM, nos dan la posibilidad de optimizar diversos procesos industriales. La versatilidad que tienen los RCM reside en que pueden ejecutar varias funciones, como por ejemplo, filtración, dosificación y catálisis. Este trabajo propone cuatro formas de preparación de RCM en modo contacto interfacial, para ser evaluados en remediación ambiental. Para la preparación de RCM, se emplearon membranas comerciales de fibra hueca de corindón. Como principal fase activa se usó paladio, el cual fue depositado por diferentes métodos tales como impregnación, sputtering (pulverización catódica) y microemulsión; también se usaron nanopartículas de paladio-cobre obtenido por el método del poliol. Los reactores obtenidos fueron probados en la generación in situ de peróxido de hidrógeno y la oxidación de fenol en medio acuoso a presión atmosférica y a temperatura ambiente o a 60°C. Los mejores resultados se obtuvieron con el RCM que contenía paladio por impregnación. Los otros RCM presentaron en todos las pruebas una rápida desactivación.

A membrane reactor is a device that combines a membrane separation or distribution process with a chemical reaction in a single unit. Membrane Reactors are capable of promoting a reaction process by: (1) selectively removing at least one of the products from the reaction zone through the membrane, making the equilibrium reaction shift tothe product side, and (2) supplying only a particular reactant to  the  reaction  zone,  thus  giving  an  optimum  concentration  ratio  of  the  two  reactant  streams. As  a result, the yield can be increased (even beyond the equilibrium value for equilibrium reactions) and/or the selectivity can be improved by suppressing other undesired side reactions or the secondary reaction of products [1]. The simultaneous separation show advantages related to the process and the reaction: (1) it reduces the flow rate of the reactant stream, whilst increasing the residence time; (2) it increases thereactant  concentration  and  hence  the  forward  reaction  rate;  and,  (3)  it  reduces  product concentration, reducing the reverse reaction rate [2]. An important advantage is that in the reactor the membrane  is  able  to  retain  homogeneous  catalysts.  Thus,  it  allows  continuous  operation  without needing  to  separate  and  recycle  catalysts [3].  Membrane  Reactors  (MR)  have  three  generic approaches:  extractors,  distributors  and  contactors;  Membrane  Reactors  as  an  extractor  selectively remove  certain  products  fromthe  reaction  zone [3],  [4].  The  MR  as  a  distributor  enhances  the selectivity through optimizing of the reactant dose [3]. That is, by selectively distributing one of the reactants [5]. Both a perm-selective and a nonperm-selective membrane can be used to distribute one of the reactants [4].The Membrane Reactor as a contactor intensifies the contact between the reactants and the catalyst [3], [6], [7]. An important type of the Membrane Reactor is the Catalytic Membrane Reactor (CMR). A CMR is a device which perm selective membrane is one of the catalytic type or has a catalyst deposited in or on it [8], [9]. In the CMR, the membrane provides simultaneously the separation and reaction functions. To accomplish this purpose, it could use  either  an intrinsically  catalytic  membrane  where the same material acts as a catalyst and as a membrane (e.g., zeolite or metallicmembrane), or a membrane that acts as a catalytic medium through activation, by introducing catalytic phases by either impregnation or  ion  exchange.  In  this  case,  a  membrane  only  facilitates  mass  transfer [10],  [11].  For  instance, palladium membrane is used as hydrogen permselective CMR [9]. Targeted benefits of CMRs are seen at three different levels: a) process level, eliminating process units and phase changes among them. The  integration  of  a  separation  function  into  the  reactor  allows  reduction  of  the  amount  of  process units,  b)  reactor  level,  optimizing  the  contact  between  the  phases  and  the  dosing  strategy,  and  c) catalyst level, influencing catalysis through the chemical nature of the membrane [12].