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膜技术是近半个世纪发展起来的一种分离技术,具有分离效率高、操作简单、能耗低等优点,得到了广泛的应用。然而,市场上传统的有机膜热稳定性、化学稳定性和分离性较差,迫切需要开发新型高性能膜材料。炭膜是一种新型无机膜材料,近几十年得到广泛关注,它既可以克服有机膜的缺点,又具有良好的分离性能。然而,炭膜存在的造价高、质地脆等问题,严重制约了大规模工业化应用。鉴于此,本文制备了具有较高强度的支撑炭膜,同时通过掺杂碳素材料优化微观结构与分离性能;另外,研究了其在强化甲醇制氢反应的应用。首先,以BTDA-ODA型聚酰亚胺为前驱体材料,以石墨烯、碳纳米管和活性炭纤维等多种碳素材料为掺杂剂,制备了非支撑杂化炭膜;采用TGA、FTIR、XRD、SEM等先进手段分析了前驱体在热解过程中的热解行为、表面元素或官能团变化,及所得炭膜微观形貌和结构的演变。通过磁场优化炭膜的微观结构和制备工艺过程。再以高机械强度的多孔炭板为支撑体,通过旋涂成膜法,经干燥成膜及炭化等步骤制备得到支撑炭膜。考察了支撑体成型压力、掺杂剂用量、渗透温度、渗透压力等条件对支撑炭膜微结构及气体分离性的影响。最后,将所制备支撑炭膜用于强化甲醇重整制氢反应过程,研究了反应温度、反应时间、催化剂载体、炭膜分离性等因素对反应转化率和收率的影响。结果表明:(1)在成膜过程中,外加磁场有利于提高最终所制备炭膜的气体渗透性。当磁场强度为10Gs时,炭膜的渗透性分别为546Barrer(H2)、349Barrer(CO2)、148Barrer(O2)、24Barrer(N2);同时,选择性分别为22.5(H2/N2)、6.1(O2/N2)、14.4(CO2/N2)。(2)非支撑碳素材料杂化炭膜的气体分离性能大多分布于Robeson图上限,极具有商业价值。(3)石墨烯与母体兼容性良好,可大幅度提升炭膜的气体渗透性。当石墨烯质量分数为0.3%时,支撑炭膜对H2、CO2、O2、N2的渗透性分别达5229Barrer、1315Barrer、1123Barrer、529Barrer,对H2/N2、CO2/N2和O2/N2选择性分别为9.9、2.5和2.4。(4)在甲醇水蒸气重整制氢反应中,固定床反应器的最佳反应温度为260oC时,甲醇转化率为71.33%,H2收率为21.39%;炭膜反应器的最佳反应温度为280oC时,甲醇转化率与H2收率分别为93.29%和29.15%。