平衡反应是自然界中的常见现象，它限制了化学反应在给定温度、压力、浓度、配比等条件下的最大转化率，在有机化学反应如酯化、硝化、缩酮、酰化等化学工业中的重要反应中尤为常见。同时，这类反应还多存在产物或原料的热稳定性差、副反应多、连串反应等问题。因此，如何有效地提高这类反应的产率并进而提高其原料利用率、减轻后续分离过程的能耗是困扰有机化工生产的一个重要难题。ISPR(In-Situ Product Removal)技术，即产物原位分离技术，是解决这一难题的有效方式之一。其中，渗透汽化催化膜反应器(Pervaporation membrane reactor, PVMR)以渗透汽化(Pervaporation, PV)膜分离为基础，将PV膜组件与催化反应过程相耦合，通过PVMR打破反应热力学平衡的限制，从而获得更高的反应转化率。自20世纪80年代以来，该技术受到了越来越多的关注，论文数量也呈现出快速的上升趋势，并已经逐渐形成了一个庞大的家族。但在传统催化膜反应器中，PV膜本身多显示出催化惰性（Catalytically inert），只具有分离性能。催化剂一般分散于料液主体中进行催化反应，产物通过分离膜进行移除。其存在传质路径多，扩散阻力大，传质推动力小等固有缺陷（图1a）。

图1 传统惰性膜反应器（a）及固载不同催化剂的活性催化膜结构：(b) 阳离子交换树脂；(c) Zr(SO₄)₂·4H₂O；(d) 酵母脂肪酶

为解决这些问题，北京化工大学膜分离过程与技术北京市重点实验室的张卫东、卿伟华团队，针对传统PVMR中液相主体扩散是其关键控制步骤的问题，提出通过制备具有疏松多孔催化层和致密分离层的复合结构活性催化膜（Catalytically active membrane, 图2a），将催化反应从料液主体迁移到膜的表面，在消除传统PVMR中主体扩散阻力的同时，降低由反应物向催化位点扩散阻力，实现反应分离耦合过程的强化。该研究团队成功将固体酸催化剂（图1b），液体酸催化剂（图1c），生物酶（图1d）等不同类型的催化剂通过粘附，相转化等方式有效固定在PV膜表面，形成了具有“三明治”式复合结构的活性催化膜，系统考察了活性催化膜在酯化，缩醛酮等重要化工反应中的反应-分离耦合强化效果。团队通过合理匹配反应和分离两个关键速率，使得产物在活性催化膜内生成后，直接通过膜的分离作用移除出反应器（消除向料液主体的反向扩散），实现了真正意义上的产物原位分离（Genuine In-situ Product Removal）（图2a,b），进一步强化了热力学平衡向产物方向的移动，产物转化率达到了100%（图2c）。相关研究成果相继发表在领域顶级期刊Journal of Membrane Science，Chemical Engineering Journal，Bioresource Technology上。第一作者为卿伟华博士，通讯作者为张卫东教授。

图2 活性催化膜反应器内反应-分离过程（a）产物浓度;（b）及产品转化率;（c）的变化

该系列工作不但极大拓展了PVMR的应用范围，而且通过系统研究各组分在PVMR及膜内传质规律，阐明了活性催化膜的强化机理。对开发和设计活性催化膜及其反应器，特别是微小尺度及高空速条件下新型催化膜反应器具有重要的指导和应用价值。

系列工作获得了国家自然科学基金项目(No. 21076012, 21276011)，教育部科学技术研究项目(No. 113012A)，北京市自然科学基金项目(No. 3121003)的长期支持。