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气体膜分离技术是膜分离科学与技术的重要组成部分，被称为最具发展应用前景的新型气体分离技术。它突破了许多传统学科技术边界条件界限的制约，广泛用于氢气资源、氧气资源、氮气资源、二氧化碳资源、氦气富集、天然气净化、有机蒸气分离回收、酸性气体分离、空气净化干燥调质等全部气体资源领域，并与“深冷分离”和“变压吸附分离”等重要应用技术具有良好的技术相容性和集成性，是一项洁净、可持续发展的高新技术。气体膜分离技术的核心是膜材料，在开发新的膜材料的同时，研究新的气体膜制备技术及对现有膜材料进行改性，一直是气体膜领域的热点。而正确认识和了解气体在膜内传质行为是选择膜材料、制备方法、膜组件及操作参数的依据，因此气体在膜内传质机理研究成为气体膜领域另一个研究重点。本文对聚砜膜、硅橡胶膜及有机．无机纳米杂化膜的制备工艺进行了系统研究，考察了不同制备参数对膜结构和气体分离性能的影响，并系统研究了多元混合气在硅橡胶膜中传质行为，取得了下列一些研究结果：
(1)详细考察了制膜条件对PSF不对称基膜结构和分离性能的影响以及气体分离操作条件对PSF膜和PDMS/PSF复合膜的分离性能的影响。采用L—S相转化法制成了不对称的PSF膜，上层为超薄的致密皮层，下层是海绵状孔。膜皮层表面孔径和孔隙率与铸膜液中添加的易挥发组分密切相关。添加挥发性非溶剂的铸膜液，非溶剂挥发越快，孔径变越小，表面孔隙率越大，膜表皮层更为致密。而对于添加挥发性溶剂的铸膜液，挥发性溶剂的快速挥发有利于形成致密皮层，致密程度优于添加挥发性非溶剂的情况。铸膜液浓度越高，致密层越致密，但粘度过大对制膜过程不利。同时成膜条件对不对称基膜结构和性能影响很大，溶剂与凝胶浴中非溶剂的化学势相差越小越趋向发生延时相分离，形成致密皮层，且凝胶浴温度越低，膜越致密。未经蒸发过程，直接浸入凝胶浴转化的基膜，几乎无致密层，而采用强化溶剂蒸发手段有助于提高皮层的致密性和完整性。以实验中制备的PSF不对称膜为基膜，表面涂敷硅橡胶(PDMS)，制成PDMS/PSF复合膜。空气富氧试验结果显示了其具有良好的分离性能，即渗透气中氧浓度最高可达40.4％，渗透通量可达0.36～0.73×10-10(m3/m2·s·Pa)。操作压力对膜的富氧分离性能有很大的影响，在0.1～1.0MPa．的压力范围内，气体在PDMS—PSF复合膜中渗透通量随着压力的提高而加大，实际分离因子α则随压力的提高呈现先上升后趋稳的趋势，而进气量对膜分离性能影响不大。
(2)系统研究了膜制备方法和实验操作条件对硅橡胶膜(PDMS)气体分离性能的影响。实验表明多孔支撑层的孔径对PDMS膜的渗透分离性能影响不大；多孔支撑层的材质对PDMS膜的通量有很大影响，大小依次为NYLON＞PVDF＞CA，而对选择性影响不明显。制膜液浓度和用量对PDMS膜分离性能有较大影响，结果表明膜液浓度为5％及单张膜用量为4-5ml(对应的膜面积78.5cm2)较为合适，可获得较好的渗透通量和选择性。此外分离操作条件对PDMS的性能也有很大影响，PDMS膜渗透通量随着压力的增大而增加，渗透气中氧含量在低压区时随着压力的提高而增加，而在压力达到0.6MPa后，渗透气中氧含量增加变缓，氧浓度最高可达33％，表明PDMS膜具有良好的气体分离性能和机械性能。而进气流量对渗透通量几乎无影响，而渗透气中氧浓度在低进气流量下随着流量的上升而增加，这主要是由于浓差极化的影响。
(3)首次对干一湿相转化法制膜过程中蒸发过程传质动力学行为进行了初步研究。实验测试了湿膜在蒸发过程中的重量和温度变化与铸膜液组成、环境温湿度之间的关系，铸膜液中含有部分挥发性的溶剂时，湿膜的质量随时间延长不断减少，膜表面聚合物浓度升高达到凝胶点出现凝胶，有利于形成表面致密层的，且溶剂挥发越快，皮层越致密。而没有添加其它溶剂的二元制膜液，由于溶剂二甲基乙酰胺(DMAc)具有很强的吸水性，空气中水分不断吸附在膜的表面，使膜的重量增加，并诱导表面凝胶的形成，得到的皮层较致密：但湿度过大以及蒸发过程时间过长反而会导致皮层致密程度的降低。同时红外热成像结果显示，随着时间延长，膜面的温度下降，而且膜边缘与膜中部的温差加大。
(4)制备了两大类有机．无机杂化膜，深入地研究了它们的结构、机械性能和气体分离性能。采用溶胶—凝胶法制备的聚砜—纳米二氧化硅杂化膜与采用共混法制备的聚砜—纳米二氧化硅杂化膜相比，具有良好的皮层结构、机械性能和气体分离性能。无机相的性质和添加量对杂化膜的结构和性能影响很大，测试结果表明疏水纳米二氧化硅杂化膜的性能优于亲水纳米二氧化硅杂化膜的性能，当杂化膜中无机相负载量为30wt．％时，可获得较为全面的综合性能。填充纳米二氧化硅制备的PDMS杂化膜，与未填充的PDMS膜相比，机械性能得到改善，同时气体选择性有所增加，而渗透通量略有降低。
(5)实验研究了O2，N2和CO2纯气、二元混合气和三元混合气在PDMS膜中渗透传质行为，首次提出了快速准确的渗透传质模型，可为膜系统操作参数的确定提供参考依据。该渗透传质模型以进气压力和进气组成为变量，避免了求取混合体系中各组元的扩散系数和溶解系数等参数的困难。它可被用来快速准确地定量评估气体膜系统的分离性能从而为膜系统操作参数的确定提供参考依据。此外，其研究方法可被推广到其它体系中。同时实验测试表明二元混合气O2-N2，CO2-N2和O2-CO2的渗透通量随压力的升高而增加，而且随着混合气中快气组分含量的增加而增加。进气的摩尔比直接影响渗透气的组成，渗透气中快气的摩尔分率高于其在原料气中的摩尔分率，慢气的变化情况与之相反。表明快气在渗透竞争中处于有利地位。对三元混合气，其渗透通量随着进气压的增加而上升，渗透气中慢气组分O2和N2的摩尔分率随着进气压的增加而下降，而快气组分CO2正好相反。且渗透气中N2的摩尔分率总是低于其原料气中摩尔比率，而CO2的变化趋势与之相反，而渗透气中O2的摩尔分率变化可能高于也可能低于其在原料气中摩尔分率，取决于混合气中另二个组分N2和CO2的比率关系
(6)首次采用PDMS/PSF复合膜制备富氧空气为氧源，在无溶剂的反应体系中催化氧化异长叶烯制备异长叶烯酮。实验对原有的催化氧化异长叶烯工艺进行了改进，开展气体膜富氧的应用研究。通过实验得到如下结论：异长叶烯反应的转化率随着氧浓度的提高而增加，而产率随氧浓度的提高先上升后降低。其中在31.0％O2富氧空气和37.5mL/min的气体流量下可同时获得较为理想的转化率和产率，转化率达67.5％，异长叶烯酮产率达59.8％，由于反应体系无溶剂，对产物无污染，环境友好，因此改进后的反应体系属绿色反应过程。