在化工生产过程中,包括原料的预处理、中间产物的分离、粗产品的提纯以及副产物的回收等都离不开分离。可以说分离贯穿了整个化工生产过程,占有十分重要的地位。膜分离技术具有能耗低、适应性强、设备简单以及易于控制等优势,因此具有重要的研究价值。膜材料决定了膜分离的性能,高分子膜和无机膜各有各的优势,但也存在各自的局限性。在目前的膜材料研究中,将功能性的纳米多孔材料添加到高分子中制备成复合膜能结合两种材料各自的优势,并产生“1+1>2”效应,因此复合膜是当前的一个重要发展方向。金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)由金属离子和有机配体通过配位自助装形成的一种有机-无机杂化多孔材料。相对于其它传统多孔材料(如沸石、碳分子筛、多孔碳以及金属氧化物等),MOF材料具有孔尺寸以及结构易调控、高孔隙率和化学性质多样性等优势,因此利用MOF材料制备复合膜具有独特的优势。本文针对不同的气体分离体系和水处理方面,在MOF材料的基础上设计并制备了一系列分离性能优异的复合膜,并系统地研究了其材料结构特征和分离机理。主要研究内容如下:1、复合膜虽然在分离领域具有很大的优势,但仍然面临着一些挑战,如渗透通量与选择性、稳定性之间的权衡,以及缺乏有效的同时增强它们的方法。本工作针对CO2/CH4体系的分离,以MOF材料为模板剂合成了一系列纳米多孔碳(MOF-PC),将其加入到PPO-PEG中制备出了一种新型的复合膜。利用新开发的多重煅烧法,制备了含氮量可变的MOF-PC。所制备的MOF-PC是一种富电子石墨烯网状结构材料,并且其中的氮能够提供活性位点,因此MOF-PC能够对CO2产生较强的作用力,进而选择性地提高CO2在膜内的扩散速率,最终使复合膜的CO2渗透通量和C02/CH4选择性同时得到增强。所制备的复合膜同时具有良好的水热稳定性和化学稳定性。除此之外,通过控制MOF-PC的含氮量和比表面积,能实现对复合膜分离性能的调控。2、为改善复合膜制备过程中纳米多孔材料与高分子之间相容性差的问题,本工作针对CO2/N2体系的分离,将对CO2具有选择性吸附作用的NH2-MIL-125(Ti)与一种固有微孔聚合物(Polymer of intrinsic microporosity,PIM-1)通过化学交联法制备了以化学键形式相结合的新型复合膜。由于PIM-1与NH2-MIL-125(Ti)不能直接发生化学反应,因此先对PIM-1进行了改性。通过璜化和磺酰氯化在PIM-1其中的苯环结构上加上了一个-SO2Cl官能团(sPIM-1-Cl)。通过NH2-MIL-125(Ti)中的-NH2能够与-SO2Cl发生兴斯堡反应,从而产生化学交联。一方面NH2-MIL-125(Ti)结构中存在大量极性官能团(-OH和-NH2),能够优先吸附CO2;另一方面NH2-MIL-125(Ti)的多孔性为气体分子在膜内的扩散提供了额外通道,因此最终制备的复合膜的CO2渗透通量和CO2/N2选择性同时得到了提高。3、本工作利用多巴胺(PD)自聚合原理对MOF材料进行表面改性,制备了 PD层包裹SO3H-MIL-101-Cr的复合材料(SO3H-MIL-101-Cr@PD),将其添加到聚乙烯醇(PVA)中制备了亲水性极强的复合膜,并通过渗透汽化技术分离乙二醇水溶液。通过控制PD自聚合反应时间可以有效地控制SO3H-MIL-101-Cr表面PD包裹层的厚度。由于PD中的-NH2能够与PVA中的-OH形成氢键,加强了 SO3H-MIL-101-Cr@PD材料与PVA之间的相容性,进而提高了 SO3H-MIL-101-Cr@PD在PVA中的负载量。相比较纯的PVA膜,SO3H-MIL-101-Cr@PD-PVA复合膜的水渗透通量和水/乙二醇选择性分别增长了 472%和585%。4、当前MOF膜制备方法很多,没有出现一种通用的MOF膜制备方法。本工作在总结前人制备MOF膜方法的基础上,开发出了一种新的制膜方法:自模板法。针对目前难以分离的CH4/N2混合物,在对MOF材料进行筛选的基础上选取了一种Al-MOF(MILQIJ),通过自模板法最终成功地制备出了具备优异CH4/N2分离效果的MILQIJ膜。本工作开阔了 MOF材料的应用,同时自模板法对于制备其它的MOF膜也具有通用性。