气体膜分离过程具有效率高及能耗低的优点,在环境保护及节能减排等领域具有广泛的应用。作为膜分离过程的核心,橡胶态选择层材料是制备气体分离复合膜的关键之一。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是目前使用最广泛的橡胶态聚合物气体膜分离材料,具有渗透系数大的优点;但当其应用在有机蒸汽体系（VOCS）和CO₂捕集领域时,存在耐溶剂性差及选择性低的缺点。针对耐溶胀性较差的问题,本文利用分子中含有C-F键以及不对称结构的橡胶态聚合物聚三氟丙基甲基硅氧烷（PTFPMS）为选择层材料,具有高耐溶胀的中空纤维复合膜,研究PTFPMS复合膜在典型石油类溶剂中的耐溶剂性。此外,针对橡胶态聚合物CO₂选择性较低的问题,选择分子中同时具有刚性链段及柔性链段的橡胶态聚合物聚醚共聚酰胺（PEBAX）为基体,以含亲CO₂基团的无机材料为填充物,制备了混合基质膜应用CO₂捕集过程,探讨了制备条件及操作条件对膜气体分离性能的影响。选用综合性能优异的聚醚酰亚胺（PEI）为基膜材料,针对干-湿相转化法制备PEI中空纤维基膜过程中影响参数众多的问题,利用反向传播神经网络-遗传算法（BPNN-GA）杂化模型以空气间隙距离、纺丝液流量及温度、内凝固浴流量、温度和组成等6个参数为输入,氧氮渗透速率为输出,对参数进行相对重要程度分析。研究结果表明,空气间隙距离对氧气和氮气在PDMS/PEI中空纤维复合膜中的渗透速率影响最大,相对重要程度分别为29.10%和30.88%,远高于其它输入参数。随着空气间隙距离的增加,PDMS/PEI中空纤维复合膜的氧气渗透速率由102.22GPU降低至57.21GPU,O₂/N₂选择性略有上升;在整个空气间隙距离的变化范围内,PEI膜的机械强度均大于14MPa,可以应用于高压膜分离过程。针对PDMS在有机蒸汽体系分离过程中耐溶胀性较差的问题,选用主链中含有C-F键及不对称结构的PTFPMS为聚合物材料,采用溶液浇铸法制备了 PTFPMS均质膜,研究了溶胀性气体及高温室效应潜能值气体在PTFPMS膜中的渗透行为。探讨了气体在聚合物中的渗透性、溶解性及扩散性,研究了气体临界性质与渗透系数,溶解度系数以及扩散系数之间的关系。PFCS的渗透系数较小,低于永久性气体及具有相同碳原子数的烷烃气体;随着压力增加,对于CO₂、C₃H₆和C₃F₈等溶解性较强的气体,渗透系数不断提高;对于H₂、O₂和N₂等溶解性较差的气体,渗透系数变化不大。根据Henry定律及Flory-Huggins正规溶液理论,对于除H₂以外的低溶解性气体,气体溶解度系数理论值与实验值具有较好的吻合度;对于高溶解性气体,压力较低时,理论值同实验值吻合较好。为提高PTFPMS应用于工业过程的可行性,采用PEI中空纤维非对称膜为支撑层,具有良好耐溶胀性的PTFPMS为选择层,制备了 PTFPMS/PEI中空纤维复合膜,应用于C₃H₆/N₂和CO₂/N₂等体系的分离。随着PTFPMS涂层液浓度的增加,气体渗透速率下降;H2/N₂的选择性下降,CO₂/N₂的选择性上升。在PTFPMS涂层液浓度变化范围内,CO₂和C₃H₆的渗透速率最大。操作压力增加,C₃H₆渗透速率增大速度最快;气体透过PTFPMS/PEI中空纤维复合膜的表观活化能表明操作温度对N₂渗透的影响最大,在较低的温度下对其有较好的分离效果。PTFPMS复合膜经异辛烷浸泡后,对CO₂/N₂选择性的下降仅为1.56%,低于PDMS复合膜下降程度的1/5。经过30天的耐久性测试,PTFPMS/PEI复合膜的性能基本不变,具有应用于石化行业VOCs回收的潜力。最后,针对硅氧烷类橡胶态聚合物材料（如PDMS和PTFPMS）CO₂分离性能较差的问题,选择新型橡胶态聚合物PEBAX为聚合物主体,含有亲CO₂基团的咪唑功能化氧化石墨烯（ImGO）为填充物,制备具有高CO₂渗透性及选择性的ImGO/PEBAX混合基质膜。ImGO的加入强化了 PEBAX膜的CO₂分离性能,对比于纯PEBAX膜,CO₂/N₂的选择性提高了 46.0%。当ImGO添加量为0.8wt.%,操作压力和温度分别为0.8MPa和25℃时,混合基质膜的CO₂分离性能最佳,CO₂的渗透系数为76.27Barrer,CO₂/N₂选择性为105.47,综合性能突破了 2008年的Robeson气体分离上限。ImGO的添加,提高了混合基质膜的机械性能;当ImGO添加量为0.8wt.%时,混合基质膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为13.63MPa和460.24%,相对于纯PEBAX膜提高了 59.74%和26.86%。机械性能的增加,保证了 ImGO/PEBAX混合基质膜的使用寿命并扩大了应用范围。