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[[Fichier:Membrane_reactor.png|vignette| Croquis d'un réacteur à membrane]]
Un '''réacteur à membrane''' ou '''réacteur membranaire''' est un dispositif physique qui combine un processus de conversion chimique avec un [[Méthode de séparation membranaire|processus de séparation membranaire]] pour ajouter des [[Réactif (chimie)|réactifs]] ou éliminer des produits de la réaction{{Sfn|Gallucci|2011|p=1}}. 

Les réacteurs chimiques utilisant des membranes sont généralement appelés réacteurs à membrane. La membrane peut être utilisée pour différentes tâches{{Sfn|Basile|2016|p=9}} : 

* Séparation
** Extraction sélective des [[Produit de réaction|produits de réaction]]
** Rétention du [[Catalyse|catalyseur]]
* Distribution/dosage d'un réactif
* Support de catalyseur (souvent associé à une distribution de réactifs)

Les réacteurs à membrane sont un exemple de combinaison de deux [[Opération unitaire|opérations unitaires]] en une seule étape, par exemple la filtration membranaire avec la réaction chimique{{Sfn|De Falco|2011|p=2}}. L'intégration de la section réactionnelle avec extraction sélective d'un réactif permet une amélioration des [[Taux de conversion|conversions]] par rapport à la valeur d'équilibre. Cette caractéristique rend les réacteurs à membrane adaptés pour effectuer des [[Réaction endothermique|réactions endothermiques]] à équilibre limité{{Sfn|De Falco|2011|p=110}}. 

== Avantages et problèmes critiques ==
Les membranes sélectives à l'intérieur du réacteur présentent plusieurs avantages : la section du réacteur remplace plusieurs processus préalables. De plus, retirer un produit permet de dépasser les [[Thermodynamique des solutions|limites thermodynamiques]]{{Sfn|De Falco|2011|p=3}}. De cette façon, il est possible d'atteindre des conversions plus élevées des réactifs ou d'obtenir la même conversion avec une température plus basse{{Sfn|De Falco|2011|p=3}}. 

Les [[Réaction réversible|réactions réversibles]] sont généralement limitées par la thermodynamique : lorsque les réactions directes et inverses, dont la vitesse dépend des concentrations de réactifs et de produits, sont équilibrées, un [[Équilibre chimique|état d'équilibre chimique]] est atteint{{Sfn|De Falco|2011|p=3}}.  Si la température et la pression sont fixes, cet état d'équilibre est une contrainte pour le rapport des concentrations de produits par rapport aux réactifs, obstruant la possibilité d'atteindre des conversions plus élevées{{Sfn|De Falco|2011|p=3}}. 

Cette limite peut être dépassée en éliminant un produit de la réaction : de cette façon, le système ne peut pas atteindre l'équilibre et la réaction se poursuit, atteignant des conversions plus élevées (ou la même conversion à plus basse température){{Sfn|De Falco|2011|p=7}}. 

Néanmoins, il existe plusieurs obstacles à une commercialisation industrielle en raison des difficultés techniques de conception de membranes pérennes et en raison des coûts élevés des membranes{{Sfn|Basile|2016|p=12}}. De plus, il manque un procédé à la pointe de la technologie, même si ces dernières années celle-ci a été appliquée avec succès à la production d'hydrogène et à la déshydrogénation d'hydrocarbures{{Sfn|Basile|2016|p=13}}. 

== Configurations du réacteur ==
[[Fichier:Packed_bed_and_fluidized_bed_membrane_reactors.png|vignette| Réacteurs membranaires à lit garni et à lit fluidisé]]
Généralement, les réacteurs à membrane peuvent être classés en fonction de la position de la membrane et de la configuration du réacteur{{Sfn|Gallucci|2011|p=1}}.  Il y a généralement un catalyseur à l'intérieur : si le catalyseur est installé à l'intérieur de la membrane, le réacteur est appelé ''réacteur catalytique à membrane'' (CMR){{Sfn|Gallucci|2011|p=1}} ;  si le catalyseur (et le support) sont garnis et fixés à l'intérieur, le réacteur est appelé ''réacteur membranaire à lit garni'' ; si la vitesse du gaz est suffisamment élevée et que la taille des particules est suffisamment petite, la fluidisation du lit se produit et le réacteur est appelé réacteur à membrane à lit fluidisé{{Sfn|Gallucci|2011|p=1}}.  D'autres types de réacteurs tirent leur nom d'un matériau membranaire, par exemple le réacteur membranaire de zéolites.

Parmi ces configurations, une plus grande attention ces dernières années, en particulier dans la production d'hydrogène, est accordée au lit fixe et au [[lit fluidisé]] : dans ces cas, le réacteur standard est simplement intégré avec des membranes à l'intérieur de l'espace de réaction<ref name="gal17">{{Article|langue=en|nom1=Gallucci|prénom1=Fausto|nom2=Medrano|prénom2=Jose|nom3=Fernandez|prénom3=Ekain|nom4=Melendez|prénom4=Jon|titre=Advances on High Temperature Pd-Based Membranes and Membrane Reactors for Hydrogen Purifcation and Production|périodique=Journal of Membrane Science and Research|volume=3|numéro=3|date=1 juillet 2017|issn=2476-5406|doi=10.22079/jmsr.2017.23644|pages=142–156}}</ref>. 

== Réacteurs membranaires pour la production d'hydrogène ==
Aujourd'hui, l'hydrogène est principalement utilisé dans l'industrie chimique comme réactif dans la production d'[[ammoniac]] et la synthèse de [[méthanol]], et dans les procédés de raffinerie pour l'[[hydrocraquage]]{{Sfn|De Falco|2011|p=103}}.  De plus, son utilisation comme vecteur d'énergie et comme combustible dans les piles à combustible suscite un intérêt croissant{{Sfn|De Falco|2011|p=103}}. 

Plus de 50 % de l'hydrogène est actuellement produit à partir du reformage à la vapeur du gaz naturel, en raison des faibles coûts et du fait qu'il s'agit d'une technologie mature<ref>{{Article|langue=en|nom1=Di Marcoberardino|prénom1=Gioele|nom2=Foresti|prénom2=Stefano|nom3=Binotti|prénom3=Marco|nom4=Manzolini|prénom4=Giampaolo|titre=Potentiality of a biogas membrane reformer for decentralized hydrogen production|résumé=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0255270117307857|périodique=Chemical Engineering and Processing - Process Intensification|volume=129|date=juillet 2018|doi=10.1016/j.cep.2018.04.023|pages=131–141}}</ref>. Les procédés traditionnels sont composés d'une section de reformage à la vapeur, pour produire du [[gaz de synthèse]] à partir de gaz naturel, de deux réacteurs de conversion du gaz à l'eau qui améliorent l'hydrogène dans le gaz de synthèse et d'une unité d'adsorption modulée en pression pour la purification de l'hydrogène{{Sfn|De Falco|2011|p=108}}.  Les réacteurs membranaires permettent d'intensifier les procédés en incluant toutes ces sections dans une seule unité, avec des avantages à la fois économiques et environnementaux<ref>{{Article|langue=en|nom1=Di Marcoberardino|prénom1=Gioele|nom2=Liao|prénom2=Xun|nom3=Dauriat|prénom3=Arnaud|nom4=Binotti|prénom4=Marco|auteur5=Giampaolo Manzolini|titre=Life Cycle Assessment and Economic Analysis of an Innovative Biogas Membrane Reformer for Hydrogen Production|lire en ligne=https://iris.unibs.it/retrieve/handle/11379/514063/94245/_processes-07-00086.pdf|format=pdf|périodique=Processes|volume=7|numéro=2|date=8 February 2019|doi=10.3390/pr7020086|pages=86}}</ref>. 

=== Membranes pour la production d'hydrogène ===
Pour convenir à l'industrie de [[production d'hydrogène]], les membranes doivent avoir un flux élevé, une sélectivité élevée envers l'hydrogène, un faible coût et une stabilité élevée<ref name="gal13">{{Article|langue=en|nom1=Gallucci|prénom1=Fausto|nom2=Fernandez|prénom2=Ekain|nom3=Corengia|prénom3=Pablo|nom4=van Sint Annaland|prénom4=Martin|titre=Recent advances on membranes and membrane reactors for hydrogen production|périodique=Chemical Engineering Science|volume=92|date=avril 2013|doi=10.1016/j.ces.2013.01.008|pages=40–66}}</ref>.  Parmi les membranes, les inorganiques denses sont les plus appropriées ayant une sélectivité de plusieurs ordres de grandeur plus grande que les poreuses<ref>{{Article|langue=en|nom1=Cardoso|prénom1=Simão P|nom2=Azenha|prénom2=Ivo S|nom3=Lin|prénom3=Zhi|nom4=Portugal|prénom4=Inês|titre=Inorganic Membranes for Hydrogen Separation|périodique=Separation & Purification Reviews|volume=47|numéro=3|date=4 décembre 2017|doi=10.1080/15422119.2017.1383917|pages=229–266}}</ref>. Parmi les membranes denses, les membranes métalliques sont les plus utilisées en raison de flux plus élevés par rapport aux membranes céramiques<ref name="gal17" />. 

Le matériau le plus utilisé dans les membranes de séparation d'hydrogène est le [[palladium]], en particulier son alliage avec l'argent. Ce métal, même s'il est plus cher que les autres, présente une solubilité très élevée vis-à-vis de l'hydrogène{{Sfn|Basile|2016|p=7}}. 

Le mécanisme de transport de l'hydrogène à l'intérieur des membranes de palladium suit un mécanisme de [[solution]]/diffusion : la molécule d'hydrogène est ''adsorbée'' sur la surface de la membrane, puis elle est divisée en atomes d'hydrogène ; ces atomes traversent la membrane par diffusion puis se recombinent à nouveau en molécule d'hydrogène du côté basse pression de la membrane ; puis, il est ''désorbé'' de la surface<ref name="gal13" />. 

Ces dernières années, plusieurs travaux ont été réalisés pour étudier l'intégration de membranes en palladium à l'intérieur de réacteurs à membranes à lit fluidisé pour la production d'hydrogène<ref>{{Article|langue=en|nom1=Arratibel|prénom1=Alba|nom2=Pacheco Tanaka|prénom2=Alfredo|nom3=Laso|prénom3=Iker|nom4=van Sint Annaland|prénom4=Martin|titre=Development of Pd-based double-skinned membranes for hydrogen production in fluidized bed membrane reactors|périodique=Journal of Membrane Science|volume=550|date=mars 2018|doi=10.1016/j.memsci.2017.10.064|pages=536–544}}</ref>. 

== Autres applications ==

=== Bioréacteurs à membrane pour le traitement des eaux usées ===
{{Article principal|Bioréacteur à membrane}} 
Les bioréacteurs à membrane immergés et à flux latéral dans les usines de traitement des eaux usées sont les réacteurs à membrane basés sur la filtration les plus développés.

=== Réacteurs électrochimiques à membrane ecMR ===
La production de [[chlorure]] ({{Fchim|Cl|2}}) et de [[Hydroxyde de sodium|soude caustique]] (NaOH) à partir de [[Chlorure de sodium|NaCl]] est réalisée industriellement par le procédé ''chlore-alcali'' en utilisant une membrane [[polyélectrolyte]] conductrice de protons. Il est utilisé à grande échelle et a remplacé l'[[électrolyse]] à diaphragme. La matière [[Nafion]] a été développée en tant que membrane bicouche pour résister aux conditions difficiles lors de la conversion chimique.

=== Systèmes biologiques ===
Dans les systèmes biologiques, les membranes remplissent un certain nombre de fonctions essentielles. La compartimentation des [[Cellule (biologie)|cellules]] biologiques est réalisée par des membranes. La [[Membrane hémi-perméable|semi-perméabilité]] permet de séparer les réactions et les environnements réactionnels. Un certain nombre d'[[Enzyme|enzymes]] sont liées à la membrane et le transport de masse à travers la membrane est souvent actif plutôt que passif comme dans les [[Membrane synthétique|membranes artificielles]], permettant à la cellule de maintenir des gradients, par exemple en utilisant le transport actif de protons ou d'eau.

L'utilisation d'une membrane naturelle est le premier exemple d'utilisation pour une réaction chimique. En utilisant la perméabilité sélective d'une vessie de porc, l'eau a pu être retirée d'une réaction de condensation pour déplacer la position d'équilibre de la réaction vers les produits de condensation selon le principe de [[Déplacement d'équilibre réactionnel|Le Châtelier]].

=== Exclusion de taille : réacteur à membrane enzymatique ===
Comme les [[enzyme]]s sont des [[macromolécule]]s et que leur taille diffère souvent grandement des réactifs, elles peuvent être écartées par filtration sur membrane d'exclusion stérique avec des membranes artificielles d'ultra- ou de [[nanofiltration]]. Ce procédé est utilisé à échelle industrielle pour la production d'[[Acide aminé|acides aminés]] [[Énantiomérie|''énantiopurs'']] par résolution cinétique [[racémique]] de dérivés chimiquement [[Racémique|racémiques]] d'acides aminés. L'exemple le plus marquant est la production de L-[[méthionine]] à une échelle de {{unité|400|t/a}}<ref>{{Ouvrage|langue=en|auteur1=Andreas Liese|auteur2=Karsten Seelbach|auteur3=Christian Wandrey|titre=Industrial Biotransformations|éditeur=Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA|date=2006-02-20|doi=10.1002/3527608184|numéro édition=2|présentation en ligne=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/3527608184|isbn=978-3-527-31001-2|consulté le=2021-12-21}}.</ref>. L'avantage de ce procédé par rapport aux autres formes d'immobilisation du catalyseur demeure dans le fait que les enzymes ne sont altérées ni en activité, ni en sélectivité, tant qu'il reste solubilisé.

Le principe peut être appliqué à tous les catalyseurs macromoléculaires qui peuvent être séparés des autres réactifs par filtration. Jusqu'à présent, seules les [[enzyme]]s ont été utilisées dans une large mesure.

=== Réaction combinée à la pervaporation ===
En [[pervaporation]], des membranes denses sont utilisées pour la séparation. Pour les membranes denses, la séparation est régie par la différence de [[potentiel chimique]] des composants de la membrane. La sélectivité du transport à travers la membrane dépend de la différence de [[solubilité]] des matériaux dans la membrane et de leur [[Coefficient de diffusion|diffusivité]] à travers la membrane. Par exemple, pour l'élimination sélective de l'eau en utilisant [[Lipophilie|des]] membranes lipophiles. Cela peut être utilisé pour surmonter les limitations thermodynamiques de la condensation, par exemple, les [[Ester|réactions d'estérification]] en éliminant l'eau.

=== Dosage : Oxydation partielle du méthane en méthanol ===
Dans le processus STAR{{Référence nécessaire|date=February 2015}} pour la conversion catalytique du [[méthane]] du [[gaz naturel]] avec l'[[oxygène]] de l'air, en [[méthanol]] par l'oxydation partielle 2{{CH4}} + {{O2|lien=Dioxygène}} <math>\rightarrow</math> 2{{Fchim|CH|3|OH|lien=Méthanol}}.

La [[pression partielle]] d'oxygène doit être faible pour éviter la formation de mélanges explosifs et pour supprimer la réaction successive au [[monoxyde de carbone]], au [[dioxyde de carbone]] et à l'[[eau]]. Ceci est réalisé en utilisant un réacteur tubulaire avec une membrane sélective pour l'[[oxygène]]. La membrane permet la distribution uniforme de l'oxygène car la force motrice pour la [[perméation]] de l'oxygène à travers la membrane est la différence [[Pression partielle|des pressions partielles]] du côté air et du côté méthane.

== Bibliographie ==
*{{Ouvrage|langue=en|nom1=Gallucci|prénom1=Fausto|nom2=Basile|prénom2=Angelo|titre=Membranes for membrane reactors : preparation, optimization, and selection|année=2011|éditeur=Wiley|isbn=978-0-470-74652-3}}
*{{Ouvrage|langue=en|nom1=Basile|prénom1=Angelo|nom2=De Falco|prénom2=Marcello|nom3=Centi|prénom3=Gabriele|nom4=Iaquaniello|prénom4=Gaetano|titre=Membrane reactor engineering: applications for a greener process industry|année=2016|éditeur=Wiley|isbn=978-1-118-90680-4}}
*{{Ouvrage|langue=en|nom1=De Falco|prénom1=Marcello|nom2=Marrelli|prénom2=Luigi|nom3=Iaquaniello|prénom3=Gaetano|titre=Membrane reactors for hydrogen production processes|année=2011|éditeur=Springer|isbn=978-0-85729-150-9}}
*{{Ouvrage|langue=en|nom1=Ho|prénom1=W. S. Winston|nom2=Sirkar|prénom2=Kamalesh K.|titre=Membrane handbook|année=1992|éditeur=Springer Science / Business Media New York|isbn=978-1-4613-6575-4}}
*{{Ouvrage|langue=en|nom1=Baker|prénom1=Richard W.|titre=Membrane technology and applications|année=2012|éditeur=Wiley|isbn=978-0-470-74372-0}}

== Références ==
{{Références}}

== Liens externes ==

* {{Lien web |titre=Home {{!}} FLUIDCell |url=https://www.fluidcell.eu/ |site=www.fluidcell.eu |consulté le=2021-12-23}}, site web du projet européen Fuelcell, sur l'application des réacteurs à membrane pour la conversion du bioéthanol
* {{Lien web |langue=en-US |titre=Biogas membrane reformer for decentralized H2 production – Call: H2020-JTI-FCH-2014-1 Topic: FCH-02.2-2014 Decentralized hydrogen production from clean CO2-containing biogas |url=http://www.bionicoproject.eu/ |consulté le=2021-12-23}}, site web du projet européen Bionico, sur l'application des réacteurs membranaires à la production d'hydrogène à partir de biogaz
* {{Lien web |langue=en-US |titre=MACBETH » Macbeth |url=https://www.macbeth-project.eu/ |site=Macbeth |consulté le=2021-12-23}}, site web du projet européen Macbeth, sur diverses applications des réacteurs membranaires et leur industrialisation

{{portail|physique}}

[[Catégorie:Technologie des membranes]]
[[Catégorie:Pages avec des traductions non relues]]