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随着全球工业化进程飞速发展,CO2等温室气体的排放日趋严重。这些气体在大气中的增加必将会多尺度、全方位、多层次导致一系列的环境问题、经济问题以及社会问题。采用新型的清洁能源-天然气成为缓解温室效应的一种重要方法,降低天然气中CO2含量,可以提高热值并降低CO2排放。研究表明,无机膜中的炭膜,因其特殊的结构与性能,可对混合气体中的CO2和CH4进行有效分离,但气体在炭膜中分离的机理无法通过实验直接观察且尚未明确,所以探究气体在炭膜中吸附、扩散等过程的机理十分必要。本文以炭膜分离CO2/CH4混合气体为背景,建立膜孔结构模型,采用Materials Studio软件及蒙特卡罗方法模拟吸附分离过程、采用Lammps软件及非平衡分子动力学方法模拟扩散分离过程,研究气体在炭膜中的吸附及扩散性能,并考察温度、孔径以及孔缺陷对CO2/CH4混合气体分离效果的影响。首先建立与炭膜孔结构相近的无缺陷Z字形孔模型,并验证了模型的可靠性；其次对模型进行缺陷处理,建立了3种不同缺陷方式的Z字形孔模型。在建立有缺陷、无缺陷模型的基础上,对CO2、CH4纯气体及混合气体在不同孔模型中的吸附和扩散过程进行模拟,得到分离系数并探讨气体分离机理。综合吸附与扩散过程的模拟结果得到CO2/CH4混合气体的总分离系数。结果表明：对于无缺陷模型,随着温度的增高,CO2/CH4混合气体的总分离系数减小,说明适当的低温有利于实现CO2/CH4的分离；随着膜孔径的增大,相同条件下混合气体的总分离系数降低,说明较小的孔径有利于CO2/CH4的分离；在温度为298 K、膜孔径为0.670 nm的操作条件下,CO2/CH4混合气体的总分离系数为18.2,与实验数据较接近。对比研究表明,在0.670 nm的膜孔中,不同温度条件下,整体缺陷模型对CO2/CH4混合气体的总分离系数均相对更低；在较低的温度下,与其他两种缺陷模型相比,无缺陷模型的CO2/CH4总分离系数相对较低,而在较高的温度下则相反；随机缺陷模型在各个温度(除285 K)下均大于均匀缺陷模型的CO2/CH4混合气体的总分离系数但在常温和高温下数值相对差距较小,说明随机删除C原子的缺陷方式相对于均匀删除C原子的缺陷方式更加合理。本文的研究结果将为优化炭膜制备提供理论性指导,并为探讨分离过程机理提供依据,以制备出气体分离性能更优异的炭膜。