生物沼气是一种由生物质厌氧发酵所产生的清洁能源,在发电、供热、天然气替代及车载燃气使用中都表现出了较好的应用前景。但是,CO2的存在不仅会降低沼气的热值,还会腐蚀运输与储存设备。因此,采用分离技术实现对生物沼气中CO2的捕获及CH4的提纯,不仅有利于生物沼气与天然气及车载燃气的互通互用,同时对CO2的资源化利用也有重要意义。与传统的分离技术相比,膜技术在成本、能效和环境影响方面都具有潜在的优势。然而,聚合物膜材料在实际应用中面临渗透性与选择性的相互制约,限制了膜技术在沼气提纯领域的应用。本研究基于CO2与CH4物化性质的差异,通过对金属有机骨架（MOF）内部孔道结构及性质的设计改性实现对聚酰亚胺膜结构、化学环境及水环境的调控,考察改性膜材料对沼气中CO2/CH4的分离效果。探索MOF纳米填充剂的加入对聚酰亚胺膜耐塑化性能及耐杂质性能的影响,并对气体在复合膜中的传递机制进行探讨,为沼气中CO2/CH4的高效分离提供理论基础。为了提高聚酰亚胺膜的气体分离性能,利用氨基官能团与CO2分子较强的亲和能力,对UiO-66进行氨基改性并填充至聚酰亚胺基质中。表征结果和气体渗透性能测试结果表明聚乙烯亚胺（PEI）成功负载于UiO-66表面且该纳米填充剂仍可保持完整的孔腔结构。UiO-66本身固有的多孔结构更易吸附极化率和四极矩高的CO2分子,且带有大量亲和CO2位点的多孔纳米填充剂在膜中构建出了气体选择性传输通道。在最佳UiO-66-PEI掺杂量15 wt%、原料气压力0.1MPa及操作温度35℃的条件下,混合基质膜的CO2渗透系数达到28.24 Barrer(1 Barrer=1×10-10 cm~3（STP）cm cm-2 s-1 cm Hg-1),CO2/CH4分离因子达到56.49。为了改善UiO-66-PEI与聚酰亚胺基质的亲和性,避免无机填充相与有机连续相之间非选择性孔腔的出现,实现UiO-66-PEI的均匀分散,利用[bmim][Tf2N]离子液体（IL）对UiO-66-PEI进行负载,基于IL较好的润滑作用提高分散相与连续相的兼容性。此外,离子液体具有较高的CO2溶解性,可以有效提高聚酰亚胺膜的CO2/CH4分离性能。FTIR、SEM及N2吸附脱附等温线测试结果证实离子液体成功负载于UiO-66-PEI表面和内部孔道中。SEM结果证实IL负载后的IL@UiO-66-PEI均匀分散于聚酰亚胺基质中。在原料气压力0.1 MPa,操作温度35℃的条件下,PI/IL@UiO-66-PEI-15混合基质膜的CO2/CH4分离因子与PI/UiO-66-PEI-15相比提高了6.2%,CO2渗透系数却下降了8.43%。离子液体的负载虽然可以提高聚酰亚胺膜的气体分离性能,但气体渗透系数的下降及压差驱动下离子液体的流失都会限制聚酰亚胺膜的实际应用。为了提高气体分子在膜中的渗透系数,采用聚两性离子聚甲基丙烯酸磺基甜菜碱（pSBMA）对UiO-66-PEI进行接枝改性,基于UiO-66-PEI-pSBMA表面的强水合能力调节膜内水环境。利用CO2与CH4在水中溶解性的巨大差异在膜内设计构建气体选择性的传输通道。膜内水环境及高分子链排列情况的测试结果表明UiO-66-PEI-pSBMA可以增加膜内的含水量并引起纳米填充剂周围聚合物链的硬化,使得链间距增加进而促进了气体分子的渗透速度同时可以有效抑制CO2诱导聚酰亚胺高分子链塑化的现象。渗透选择性能测试结果表明PI/UiO-66-PEI-pSBMA-15混合基质膜在湿态测试条件下的CO2渗透系数比干态条件下提高了4.48倍,CO2/CH4分离因子提高了4%。在原料气压力0.1 MPa,操作温度35℃的最优测试条件下,PI/UiO-66-PEI-pSBMA-15混合基质膜的CO2渗透系数达185.12 Barrer,CO2/CH4分离因子达60.32,成功克服了聚合物膜材料渗透性与选择性间的相互制约。为了实现CO2分子的超高渗透率及膜材料的强机械强度,继续以PI/UiO-66-PEI-pSBMA膜为选择层,聚二甲基硅氧烷（PDMS）为中间层构造聚酰亚胺多层复合膜。优化后的制备条件为:中间层PDMS浓度为2 wt%,聚酰亚胺浓度为2 wt%,UiO-66-PEI-pSBMA掺杂量为8 wt%。在原料气压力0.6 MPa,操作温度35℃的条件下,UiO-66-PEI-pSBMA的加入可将聚酰亚胺复合膜的CO2渗透速率提升129.34%,CO2/CH4的分离因子提升55.58%。且UiO-66-PEI-pSBMA的加入可以提升聚酰亚胺膜的耐塑化性能和耐H2S杂质性能。通过对比纳米填充剂添加前后复合膜材料气体渗透选择性能的变化情况,确定了混合气体在膜中的分离机理及传递机制。通过错流模型计算所获产品气满足输入天然气管网要求所需的膜面积,进一步证实分离性能的提升有利于降低实际分离工程中的经济成本。