气体分离是清洁能源生产、环境治理、高纯化学品制造的关键过程之一,但传统分离技术大都存在高能耗、高成本、高物耗等问题。近年来,新型分离材料的发展为节能环保高效的分离技术的开发提供了新的机遇。阴离子功能化材料因其强静电微环境具有优异的分子识别能力,在气体分离领域表现出良好的分离性能。本文基于聚离子液体,通过调节材料的宏观和微观结构制备了两类阴离子功能化材料,应用于大气污染物二氧化硫(SO2)的高效捕集和重要工业原料乙烯(C2H4)乙炔(C2H2)的绿色分离,研究其结构特征,考察分离性能及机理,为新型分离材料设计及其应用提供有益参考。传统的多孔吸附材料拥有大的比表面积,给气体分子提供丰富的吸附位点。但是其中不具备分子筛分能力的孔道对于目标分子和竞争分子都具有吸附作用,从而只能获得较低的分离选择性。本文面向sO2高效捕集这一重要技术需求,通过Gemini型离子液体的自聚合制备了高交联无孔的离子凝胶和凝胶微球。该材料对sO2表现出独特的选择性溶胀现象,其致密的聚合网络排阻大多数气体的表面吸附,而SO2分子利用强溶剂化作用溶胀进入聚合物内部,展现出优异的吸附容量和非常高的分离选择性。298 K,1 bar时,聚(1,6-二(N,N’-乙烯基咪唑)己烷双澳盐)(P(D[VImC6]Br))和聚(1,6-二(N,N’-乙烯基咪唑)己烷双硫氰酸盐)(P(D[VImC6][SCN]))的 SO2 吸附容量分别为 498 和 487 mg/g。P(D[VImC6]Br)对SO2/CO2和SO2/CH4的理想选择性高达614和1992,是目前已有材料中的最高分离选择性。红外光谱和分子模拟等方法表明高交联离子凝胶的致密聚合网络有效地减弱离子基团与SO2分子间的相互作用,从而表现出恰到好处的物理吸附作用。吸附-脱附循环实验和混合气固定床穿透实验评价了离子凝胶的分离性能。结果表明高交联离子凝胶具有出色的循环再生性能,且在2000 ppm SO2分离体系中依旧保持出色的分离选择性,具有潜在工业应用价值。乙炔和乙烯的分离是聚合级乙烯制备过程中的关键技术环节。本文将两种具有优异气体分离性能的阴离子功能化材料——聚离子液体和阴离子柱撑微孔材料相结合,通过两者的协同作用制备获得高分子识别能力的膜材料。除此以外,两者之间的离子-离子相互作用可以有效地增强界面相容性,提高混合基质膜的质量。在混合基质膜制备过程中,系统研究了阴离子柱撑微孔材料合成过程中各因素对晶体粒径及形貌的影响,以获得适合膜材料的小尺寸颗粒。结果表明,对于快速成核的SIFSIX-2-Cu-i晶体适用于封端方法,得到长度为164±66 nm的棒状晶体。而成核较慢的ZRFSIX-2-Ni-i晶体,采用表面活性剂PVP/CTAC来限制其生长过程,得到粒径为146±47nm的立方体晶体。扫描电镜和能谱结果表明混合基质膜中阴离子柱撑微孔材料与聚离子液体基质亲和性良好,无界面缺陷存在,颗粒均匀分散。将制备的混合基质膜应用于C2H2/C2H4的分离。混合基质膜中填充颗粒含量、聚合物基质的离子密度以及操作温度都会对渗透率和选择性产生影响。掺杂量为30wt%的SIFSIX-2-Cu-i/P1-1膜的C2H2渗透率为47.1 barrer,是纯聚合物膜的2.2倍,选择性为20.8,比纯聚合物膜提高了 38.0%,为最佳掺杂量。聚合物基质离子密度越高,选择性越高。SIFSIX-2-Cu-i/P2-1膜的C2H2/C2H4选择性高达112±52.2,并对C2H4表现出明显的分子筛分作用。基于溶解-扩散模型探究气体传质机理的结果表明阴离子柱撑微孔材料和聚离子液体的协同作用以及增强的界面相容性有效地提高了膜的分离性能。