炭膜,作为一种新颖的具有分子筛分功能的膜材料,是由聚合物前驱体高温热解制备而成的,与有机聚合物膜相比,因其具有较高的气体渗透能力和分离选择性,良好的热稳定性和化学稳定性,在气体分离领域显示出巨大的潜力。炭膜分为非支撑的均质炭膜和支撑的复合炭膜,复合炭膜因其具有较好的机械强度受到人们的广泛关注,然而,由于目前所采用的支撑体材料其成本较高,限制了复合炭膜的产业化发展和应用。因此,研究开发廉价的支撑体材料已经是实现复合炭膜产业化应用的关键。本论文选用廉价的无烟煤和烟煤为原料,采用粘结成型和自粘结成型的方法制备煤基平板炭膜支撑体。通过系统地考察制备过程中各影响因素如粘结剂类型、成型压力、预氧化温度、预氧化时间等对煤基炭膜支撑体性能的影响,提出了制备煤基炭膜支撑体的工艺方案。研究表明,采用不同变质程度的煤制备炭膜支撑体表现出不同的孔结构性能,以无烟煤制备的支撑体孔径分布较宽,气体渗透速率较高但最大孔径较大;而以烟煤制备的支撑体,孔径分布集中,最大孔径较小,更适宜作为炭膜支撑体。以商用PMDA-ODA型聚酰胺酸为涂膜液,采取旋转涂膜技术在煤基平板炭膜支撑体上制备复合炭膜。研究探讨了支撑体性质、涂膜工艺、表面活性剂的加入及支撑体表面预浸渍处理对复合炭膜的复合成膜效果及其气体分离性能的影响,并采用扫描电镜对炭膜的复合效果和微结构进行表征。结果表明,采用廉价的煤基平板炭膜为支撑体,通过控制旋转涂膜工艺,可以制备出高性能的复合炭膜;涂膜液中加入表面活性剂处理可以改善涂膜液和支撑体的复合效果,经一次涂膜即可制备出具有分子筛分性能的复合炭膜;无烟煤支撑体经预浸渍处理后可以提高复合炭膜的气体渗透速率。以烟煤为支撑体制备的复合炭膜对H₂/N₂、CO₂/N₂和O₂/N₂的分离系数分别为94.3、18.3和10.2;空气中O₂/N₂分离系数为10.8,氧气的渗透速率为4.99×10^-9mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,一次富集氧气浓度达到74.4%。