1、炭分子篩膜，簡稱炭膜，是由聚合物膜經(jīng)高溫熱解制備而成的一種新型炭基膜材料。因具有優(yōu)異的氣體分離性能，良好的熱、化學穩(wěn)定性，在氣體分離領域尤其是小分子氣體分離領域具有廣闊的應用前景，被譽為“最有希望實現(xiàn)大面積工業(yè)化生產(chǎn)的高性能無機氣體分離膜”。然而炭膜至今未能實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用，其原因主要是現(xiàn)有炭膜不僅強度低，而且氣體滲透性還無法滿足產(chǎn)業(yè)化應用的要求。因此，解決現(xiàn)有炭膜的強度和氣體滲透性能低下的問題，是實現(xiàn)炭膜大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵。<

2、br>　　為了解決上述制約炭膜產(chǎn)業(yè)化的關鍵問題，本論文從炭膜前驅體結構設計出發(fā)，通過研究前驅體由高聚物結構向炭結構的演變過程，熱解炭化機理及炭膜孔結構的形成機制，揭示純炭膜氣體滲透能力相對較低的原因。并以此為依據(jù)，探討提高炭膜氣體滲透性能的方法與途徑。為了解決純炭膜的機械強度低的問題，以廉價的煤基炭膜為支撐體，制備復合支撐炭膜;通過增加介孔炭中間層改善支撐體膜表面結構，探討進一步提高支撐炭膜氣體滲透性能的方法。取得了如下研究成果:

3、>　　(1)以Kapton型聚酰胺酸為前驅體，研究其熱解炭化過程，化學結構在熱解過程中的變化規(guī)律;探討了純炭膜氣體滲透性能低的原因。結果表明，聚酰亞胺膜的熱解炭化過程包括低溫熱解和高溫炭化，低溫熱解主要發(fā)生亞酰胺化和結構重整，形成交聯(lián)網(wǎng)絡結構，構成炭結構的雛形;高溫炭化伴隨著劇烈的熱分解和熱縮聚反應，形成的交聯(lián)網(wǎng)絡結構經(jīng)脫雜原子基團、環(huán)化、芳構化過程形成六角碳環(huán)的多環(huán)芳烴結構，并進一步稠環(huán)化轉化成平面網(wǎng)狀結構，形成炭微晶。炭微晶的無序堆

4、積構成了炭膜的無序孔道結構（稱為“蠕蟲”狀孔結構）。聚酰亞胺的化學結構對所形成炭膜的微結構和性能具有很大的影響;自由體積大、結構剛性強并含有較多雜原子的聚酰亞胺熱解炭化后形成的炭膜結構疏松，有利于氣體滲透擴散。然而，純炭膜的“蠕蟲狀”孔結構使其孔道蜿蜒曲折、路徑長，氣體在孔道中滲透擴散時間長、阻力增大，這就是為什么純炭膜氣體滲透通量低的原因。所以，打破純炭膜“蠕蟲狀”孔結構，是制備高滲透、高分離選擇性炭膜的核心。
　　(2)在前驅

5、體中引入無機納米粒子制備雜化炭膜是打破純炭膜“蠕蟲狀”孔結構重要途徑。以納米沸石分子篩為功能基團制備雜化炭膜，探討了沸石分子篩的種類、顆粒度、沸石孔道尺度、類型和完整性及制備工藝參數(shù)如沸石分子篩的加入量、炭化溫度等對所制備雜化炭膜的結構及氣體分離性能的影響。結果表明，在前驅體中引入沸石分子篩，其納米粒子界面和尺度效應及微相分離作用，可以在炭與沸石分子篩的界面產(chǎn)生間隙，形成界面孔隙結構，不僅豐富了炭膜極微孔結構體系，同時打破了純炭膜的“蠕

6、蟲狀”孔結構，降低了氣體在炭膜孔道中滲透擴散阻力，明顯地提高炭膜的氣體滲透性能。沸石分子篩的種類、粒度及孔道結構與尺度、制備工藝對所制備雜化炭膜的結構及氣體分離性能有很大影響。通過對分子篩的顆粒度、孔道結構與尺度及制備工藝的優(yōu)化設計，可以實現(xiàn)了對炭膜極微孔結構的重新構建及孔道尺度和分布的調(diào)控;從而在保持炭膜較高選擇性條件下，大幅度地提高炭膜的氣體滲透性能。制備出具有高滲透性、高分離選擇性的雜化功能炭膜。在較優(yōu)化的制各工藝條件下，制備的雜

7、化炭膜對O2/N2選擇性達到15.6，O2滲透系數(shù)為501Barrer，H2的滲透系數(shù)為2280Barrer。
　　(3)支撐炭膜是改善炭膜機械強度最有效的方法。以廉價的煤基板狀多孔炭膜為支撐體，聚酰胺酸為分離層制膜液，成功地制備了具有良好氣體分離性能的支撐炭膜。通過合成具有介孔結構的聚合物對支撐體表面進行修飾，實現(xiàn)了在較大孔隙結構支撐體上制備具有高滲透性、高分離選擇性的支撐炭膜。介孔炭中間層對煙煤支撐體表面進行修飾，有效提高了復