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载人航天器或潜艇等密闭空间中CO2的去除，是环控生保系统的重要任务之一。密闭空间中CO2去除技术首先要求装置高效、稳定、安全，其次是体积小、重量轻、能耗低、寿命长，以及操作和维护简便。本论文针对上述目标，选择对CO2具有高效催化作用的碳酸酐酶，以一种具有多孔网络结构的聚丙烯酸一丙烯酰胺/水滑石纳米复合凝胶为碳酸酐酶的固定化我体，制备纳米复合凝胶固定化碳酸酐酶中空纤维膜反应器，进行密闭空气中接近室温条件下低浓度CO2的去除研究。主要包括以下四方面的内容：
(1)合适的交联度、均匀的粒径分布、多孔网络结构及高吸水耐盐性的聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石纳米复合凝胶的制备。首先，采用尿素法合成了高结晶度Mg/Al水滑石；其次，对其进行了有机改性，并运用Gauss View分子模拟软件对其改性的层状结构进行了模拟；最后，通过原位聚合制备了聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石纳米复合凝胶。结果表明，当水滑石含量为3％时，其吸水率和吸盐水率(0.9％NaCl溶液)分别高达1100 g/g和145 g/g。通过冷冻扫描电镜(CryoSEM)得到了凝胶的多孔网络结构，并证明了网络结构中自由水的存在。透射电镜(TEM)的结果表明，水滑石在聚合物基体中发生了剥离，此纳米复合凝胶为剥离型的纳米复合材料。
(2)聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石纳米复合凝胶用于碳酸酐酶的固定化。首先采用凝胶包埋法，直接将该凝胶用于酶的固定化。结果表明，固定化酶的最高活性回收率为90.9％，主要是由于凝胶的多孔网络结构中包含了大量的自由水，为碳酸酐酶提供了一个适合生存的微观水环境。固定化酶的热稳定性也有很大提高，50℃条件下，60min后，固定化酶的活性仍保持在最初活性的65％以上。其次，为了提高固定化酶量，在DDC存在下，对凝胶进行了NHS改性，改性后的凝胶可通过包埋和共价结合作用固定化碳酸酐酶。结果表明，改性后的凝胶其固定化酶量为4.56 mg/g，相对于改性前的2.68 mg/g有很大提高。但是，由于共价结合破坏了酶的部分活性部位，使得固定化酶的活性回收率有所降低，最高为76.8％。此外，还采用荧光显微镜得到了凝胶中碳酸酐酶的分散情况，通过CryoSEM得到了固定化前后凝胶的微观结构变化。
(3)纳米复合凝胶固定化酶膜反应器的研制及去除低浓度CO2的研究。本文通过在两股彼此独立，但相互紧挨交错排列的疏水性多微孔PVDF中空纤维膜的管壁外空隙中填充凝胶固定化的碳酸酐酶，设计制备了一种新型的酶膜反应器。在最佳操作条件下：0.1％CO2，20 mM、pH8.0的Tris-HCl缓冲溶液，操作温度为20℃，原料气流量为100 ml/min，吹扫气流量为300 ml/min，1 g纳米复合凝胶，酶的浓度为1 g/l，该酶膜反应器对CO2/N2和CO2/O2的选择性分别为820和330，CO2的渗透率为1.65×10-8 mol/(m2·s·Pa)。此外，碳酸酐酶经过纳米复合凝胶固定化后，使得该酶膜反应器的热稳定性和运行稳定性有了很大改善，连续运行30 h以上，该酶膜反应器仍保持着稳定的CO2去除效率。
(4)通过对纳米复合凝胶固定化酶膜反应器促进传递CO2的传质分析，建立了其传质动力学模型，得到了该酶膜反应器中CO2的浓度分布。结果表明，模拟得到的CO2浓度分布符合CA催化CO2的传递机理，且实验值与模拟结果吻合良好，能够较真实地反映该酶膜反应器促进传递CO2的过程。为该酶膜反应器的进一步优化和放大设计提供了理论依据。
综上所述，高效纳米复合凝胶固定化酶膜反应器的设计，将为最终实现载人航天器和潜艇等密闭空间中CO2的高效、安全和稳定地去除提供理论基础与设计依据。
(1)合适的交联度、均匀的粒径分布、多孔网络结构及高吸水耐盐性的聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石纳米复合凝胶的制备。首先，采用尿素法合成了高结晶度Mg/Al水滑石；其次，对其进行了有机改性，并运用Gauss View分子模拟软件对其改性的层状结构进行了模拟；最后，通过原位聚合制备了聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石纳米复合凝胶。结果表明，当水滑石含量为3％时，其吸水率和吸盐水率(0.9％NaCl溶液)分别高达1100 g/g和145 g/g。通过冷冻扫描电镜(CryoSEM)得到了凝胶的多孔网络结构，并证明了网络结构中自由水的存在。透射电镜(TEM)的结果表明，水滑石在聚合物基体中发生了剥离，此纳米复合凝胶为剥离型的纳米复合材料。
(2)聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石纳米复合凝胶用于碳酸酐酶的固定化。首先采用凝胶包埋法，直接将该凝胶用于酶的固定化。结果表明，固定化酶的最高活性回收率为90.9％，主要是由于凝胶的多孔网络结构中包含了大量的自由水，为碳酸酐酶提供了一个适合生存的微观水环境。固定化酶的热稳定性也有很大提高，50℃条件下，60min后，固定化酶的活性仍保持在最初活性的65％以上。其次，为了提高固定化酶量，在DDC存在下，对凝胶进行了NHS改性，改性后的凝胶可通过包埋和共价结合作用固定化碳酸酐酶。结果表明，改性后的凝胶其固定化酶量为4.56 mg/g，相对于改性前的2.68 mg/g有很大提高。但是，由于共价结合破坏了酶的部分活性部位，使得固定化酶的活性回收率有所降低，最高为76.8％。此外，还采用荧光显微镜得到了凝胶中碳酸酐酶的分散情况，通过CryoSEM得到了固定化前后凝胶的微观结构变化。
(3)纳米复合凝胶固定化酶膜反应器的研制及去除低浓度CO2的研究。本文通过在两股彼此独立，但相互紧挨交错排列的疏水性多微孔PVDF中空纤维膜的管壁外空隙中填充凝胶固定化的碳酸酐酶，设计制备了一种新型的酶膜反应器。在最佳操作条件下：0.1％CO2，20 mM、pH8.0的Tris-HCl缓冲溶液，操作温度为20℃，原料气流量为100 ml/min，吹扫气流量为300 ml/min，1 g纳米复合凝胶，酶的浓度为1 g/l，该酶膜反应器对CO2/N2和CO2/O2的选择性分别为820和330，CO2的渗透率为1.65×10-8 mol/(m2·s·Pa)。此外，碳酸酐酶经过纳米复合凝胶固定化后，使得该酶膜反应器的热稳定性和运行稳定性有了很大改善，连续运行30 h以上，该酶膜反应器仍保持着稳定的CO2去除效率。
(4)通过对纳米复合凝胶固定化酶膜反应器促进传递CO2的传质分析，建立了其传质动力学模型，得到了该酶膜反应器中CO2的浓度分布。结果表明，模拟得到的CO2浓度分布符合CA催化CO2的传递机理，且实验值与模拟结果吻合良好，能够较真实地反映该酶膜反应器促进传递CO2的过程。为该酶膜反应器的进一步优化和放大设计提供了理论依据。
综上所述，高效纳米复合凝胶固定化酶膜反应器的设计，将为最终实现载人航天器和潜艇等密闭空间中CO2的高效、安全和稳定地去除提供理论基础与设计依据。