低碳烃类混合物的分离与纯化是石油行业最重要的化工过程之一,目前应用最广的精馏法存在着能耗高、设备投资大等缺点。本文面向乙烯分离纯化、1,3-丁二烯纯化、二氧化碳捕集与天然气品质升级等工业意义重大的低碳烃纯化分离需求,提出没食子酸盐类金属-有机框架材料(M-gallate,M=Ni,Mg,Co,Mn)及离子液体负载型金属-有机框架材料(ILs@MOFs)分离乙炔乙烯乙烷、碳四多组分体系、二氧化碳/氮气和二氧化碳/甲烷等多个混合体系的新方法,考察其吸附性能和作用机理,探究工业化应用潜能,以期为传统低碳烃分离工艺的革新提供一定的理论支撑和数据支持。首次测定了没食子酸盐类金属-有机框架材料的乙炔乙烯乙烷分离性能,系统研究了孔径尺寸细微变化对气体吸附容量和选择性的影响,从分子水平深入剖析乙炔和乙烯分子与多孔材料骨架的作用机理。结果表明,M-gallate系列材料都具有优异的乙烯/乙烷和乙炔/乙烯分离性能,其中Co-gallate表现出最好的乙烯吸附量和乙烯乙烷分离选择性,超过了目前已报道的所有MOFs材料;而孔道尺寸最小的Ni-gallate则拥有最高的乙炔/乙烯分离选择性。采用中子衍射实验从分子水平揭示没食子酸盐类MOFs对乙炔和乙烯的识别机理和吸附作用位点,明确了骨架结构主要通过超分子作用及分子间氢键的协同作用将气体分子牢牢固定在支路空腔内。通过固定床穿透模拟进一步确认Co-gallate的乙烯和乙烷生产能力都在已报道的MOFs材料中位居第一;而Ni-gallate在乙炔乙烯混合体系中的聚合级乙烯生产能力超过SIFSIX-2-Cu-i,仅次于UTSA-200。还采用固定床动态穿透实验验证了 M-gallate对二组分和三组分混合气体的优秀分离效果。设计了以单根Co-gallate吸附柱为基础的模拟乙烯乙烷实际工业分离过程的工艺流程图,并通过实验得到了高于99.95%的聚合级乙烯,验证了其可行性。最后还通过实验验证了 M-gallate在潮湿环境下的稳定性、常压合成的工艺条件及成型加工的可行性。研究了 C4组分在没食子酸盐类金属-有机框架材料上的吸附平衡,M-gallate都表现出非常好的C4分离性能,其中Ni-gallate的总体分离效果最佳,1,3-丁二烯/异丁烯和正丁烯/异丁烯的吸附分离系数高达8863和1382,同时反式-2-丁烯/顺式-2-丁烯的分离系数则为118。这些结果都表明M-gallate不仅有着令人满意的1,3-丁二烯吸附容量,同时还能高效地从C4馏分中捕集得到高纯度的1,3-丁二烯。通过DFT计算发现1,3-丁二烯和反式-2-丁烯分子与材料骨架之间有着多重Cδ-...Hδ+O-超分子相互作用。穿透实验表明,Mg-gallate能够高效地从C4混合体系中得到高纯度的1,3-丁二烯。采用静态吸附实验探究了二氧化碳/氮气的吸附性能。M-gallate(M= Mg,Co,Ni)都表现出S形的二氧化碳吸附等温线,相较传统的Langmuir型吸附曲线在变温吸附应用中具有巨大的优势,能够在较低的脱附温度下达到非常高的工作容量,既节约了能源的消耗,又提高了工作效率。二氧化碳/氮气的选择性超过1万甚至10万的数量级,高于所有已报道的材料。同时,Mg-gallate在40℃和70℃时仍然拥有极高的二氧化碳吸附容量,表明其不仅适用于煤电厂湿法脱硫后的烟道气脱碳,同时还能够高效地从干法脱硫后的高温烟道气中捕集二氧化碳。M-gallate同时具有非常好的二氧化碳/甲烷分离性能,Ni-gallate对二氧化碳/甲烷的选择性高达3171,与目前选择性最高的Qc-5-Cu-sql-β相当。可见,M-gallate在天然气品质提升方面有巨大的应用前景。并且通过穿透实验,进一步证明了 M-gallate系列材料对二氧化碳/氮气和二氧化碳/甲烷混合体系卓越的分离性能。基于含开放金属位点MOFs的高气体吸附量和离子液体的高选择性,采用扩散法成功合成了离子液体负载型金属-有机框架复合材料([Bmim][OAc]@MIL-101)并首次用于乙炔乙烯的选择性分离。相较原始的MIL-101,[Bmim][OAc]@MIL-101表现出更高的乙炔乙烯选择性,并在固定床穿透实验中表现优秀。同时,复合材料对乙炔乙烯的吸附热都明显低于MIL-101,说明[Bmim][OAc]@MJIL-101可以以更小的能耗代价完成再生。通过穿透循环实验也验证了[Bmim][OAc]@MIL-101的稳定性和可再生性。