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气体膜分离技术是继深冷分离与变压吸附之后的“第三代气体分离技术”,具有能耗低、操作简单、分离效率高等优点。膜材料作为气体膜分离技术的核心要素,其性能直接影响膜分离过程的效果。其中,炭分子筛膜（以下简称炭膜）是由聚合物前驱体通过高温热解制备而成的一种新型炭基气体分离膜材料。与商业化聚合物膜相比,炭膜具有气体分离性能优异、热稳定性和化学稳定性好等优点,在天然气脱酸、空气分离、氢气纯化等过程中有广阔的应用前景。炭膜的微结构是影响其气体分离性能的关键因素,深入研究炭膜微结构特性及其对气体分离性能的影响机制,对炭膜气体分离性能提升有重要意义。本文利用实验和分子模拟等研究方法针对这一课题开展系统性研究:通过对自制炭膜进行微结构表征和气体分离性能测试,探究炭膜微结构变化及其对气体分离性能的影响规律;基于实验结果设计并构建更接近真实炭膜微结构的物理模型,利用分子模拟技术从微观层面分析炭膜微结构对气体分离性能的影响机制。主要研究内容和结果如下:（1）炭膜的制备及其气体分离性能测试。基于对课题组历史实验结果的机器学习分析,发现在炭膜的主要制备因素中,前驱体自由体积分数对炭膜气体分离性能影响最大。据此选择两种自由体积分数差异明显的商业化聚合物（PMDA-ODA和PEK-C）为前驱体,在不同炭化终温下制备炭膜,并测试炭膜对CO2、CH4、O2、N2等气体的分离性能。结果表明,两种炭膜都具有较高的气体分离性能,对CO2/CH4、O2/N2等气体对的分离结果均超越了 Robeson上限线（2008年）;随着炭化终温升高,炭膜的气体渗透系数下降、选择性系数升高;相比PMDA-ODA基炭膜,PEK-C基炭膜气体渗透系数较高、但选择性系数较低,其中炭化终温600℃的PEK-C基炭膜对CO2的渗透系数超过5700 Barrer、对CO2/CH4的选择性系数为29.2,分离气体时遵循选择吸附-表面扩散机理,而其它条件下制备的炭膜遵循分子筛分机理。（2）炭膜微结构特性及其对气体分离性能影响的实验研究。基于对自制炭膜微结构表征和气体分离测试结果,提出炭膜微结构的演变规律,分析炭膜微结构因素与气体分离性能间的构效关系。结果表明,随着炭化温度升高,两种前驱体均发生热分解和热缩聚反应,都经历从有机高分子结构逐渐转为无定型炭结构、类石墨微晶中的无序炭、相对规整的芳香炭结构的演变过程,造成炭膜平均孔径减小、对大分子尺寸气体的“筛分”效果加强;两种前驱体制得的炭膜都具有无序炭和规整炭共存的炭结构、生成的“类石墨微晶”具有非完美平面特性、且具有纳米级的狭缝形微孔结构;相比PEK-C基炭膜,PMDA-ODA基炭膜的炭结构更规整、更致密,平均孔径更小,从而具有较低的气体渗透性和较高的气体选择性;气体在炭膜中吸附量相对大小满足CO2＞CH4＞O2＞N2,扩散系数相对大小满足O2＞CO2＞N2＞CH4,相比吸附系数随分子动力学直径变化趋势,扩散系数与渗透系数的变化趋势更为接近,说明不同气体在炭膜中渗透性能的差异主要由扩散性能不同造成。（3）炭膜微结构对气体分离性能影响的二维单孔分子模拟。以炭膜纳米级狭缝形孔结构为基础,结合对CO2/CH4分离性能较好的PMDA-ODA基炭膜表征结果,建立二维Zigzag形单孔模型,利用分子模拟技术,探究炭膜单孔结构因素对CO2/CH4分离性能影响机制。结果表明,随着孔径增大,CO2在膜孔内的吸附形式由单层转为多层、吸附量先增大后减小,与CO2和碳原子间相互作用势变化趋势一致;孔径0.6nm时,因CO2和碳原子间相互作用势最高,膜孔对CO2/CH4混合气的选择性系数最大。基于上述单孔模型,对O2/N2体系模拟,得到吸附选择性系数与实验结果相差较大,说明单孔模型虽然适用于吸附能力相差较大的CO2/CH4体系分离的模拟,但对吸附能力相近的O2/N2体系,炭膜微结构因素对吸附分离的影响难以通过单孔模型体现。故需改进单孔模型,使之更接近真实炭膜整体无序结构,以突出微结构因素对分离的影响,提高模型适用性。（4）炭膜微结构对气体分离性能影响的三维炭结构分子模拟。利用PMDA-ODA基炭膜的表征结果,基于类石墨微晶无序堆积的建模方法,并引入使片层产生非完美平面特性的本征缺陷结构,建立可体现炭膜微结构整体无序特性的三维炭结构模型,通过模拟炭膜中CO2/CH4和O2/N2混合气的分离,探究炭膜微结构因素对气体分离性能的影响机制。结果表明,三维炭结构模型对CO2、CH4、O2和N2气体吸附量的模拟值与实验值相对误差低于5%,说明该模型可靠;基于不同操作条件下混合气分离的模拟结果,本文认为在炭膜气体分离过程中,除气固吸附相互作用势不同产生竞争吸附和气体分子大小不同产生筛分作用外,气体分离性能还与混合气各组分在膜中吸附分布的倾向性不同有关,由此本文提出炭膜微结构气体分离性能的影响机制:混合气中的快气组分（CO2或O2）倾向于在类石墨微晶堆积间隙形成的微孔中吸附,而慢气组分（CH4或N2）趋于在微晶片层间隙形成的极微孔中吸附,这使慢气组分在运动时受到炭膜更多限制,从而促进快气和慢气在炭膜中的分离。