分离是成本和能耗高度集中的化工过程,结构性质相似物质的精密分离技术的开发对资源深度利用和工业绿色发展有着革命性意义,同时也面临着重大技术挑战。吸附分离作为一种非热驱动分离过程,是解决这项分离挑战的有效手段,其核心在于高效吸附剂和分离工艺的开发。氢键有机框架(HOFs)是一类新兴的晶态有机固体,具备合成条件温和、易于纯化再生等特性,但具有良好稳定性、永久孔隙率以及丰富功能位点的HOFs的构筑难题制约了其在吸附分离等领域的应用。嘌呤类有机配体的π共轭刚性结构以及丰富的氢键结合位点和金属配位位点是构筑稳定、高孔隙率和功能化HOFs的理想模块。本文以此为出发点,构筑了一类稳定的具有微孔结构和电荷差异性分布孔表面的金属-核碱基杂化HOFs 材料(HOF-ZJU-201、HOF-ZJU-202 和 HOF-ZJU-203)。针对稀有气体氙氪、低碳烷烃以及二氧化碳/甲烷和甲烷/氮气这几种典型的气态相似物体系,考察材料的吸附分离性能和工业化应用潜力,深入探究吸附分离机理以及限域微电场强化吸附分离策略在不同体系中的作用机制。进一步地,通过成型制粒、固定床antibiotic selection的吸附热力学和扩散动力学研究以及流程模拟系统探讨了杂化HOFs材料的工业应用可行性。主要研究内容如下:基于单原子气体氙、氪的极化率差异,利用金属-核碱基杂化HOFs材料独特的孔表面微电场对极化率更大的氙进行选择性捕获,实现氙/氪高效分离。杂化HOFs材料在0.1 bar下的氙吸附容量为1.32～2.09 mmol·g-1,氙/氪选择性为15.1～21.0,达成了吸附容量和分离选择性之间的均衡。利用GCMC模拟、DFT-D理论计算和差分电荷密度分析等手段揭示了杂化HOFs结构中交错分布的缺电子和富电子区域所形成的限域微电场可作为强吸附位点对极化率更大的氙产生显著的极化效应,孔表面电荷分布差异性的增大能进一步增强极化效果。固定床穿透实验明确了杂化HOFs材料出色的氙/氪动态吸附分离能力,HOF-ZJU-201低压下氙动态捕获容量可达25.8 mmol·kg-1,对核燃料废气中痕量稀有气体的直接捕获表现出巨大应用潜力。受上述工作启发,基于甲烷、乙烷和丙烷的极化率差异,将金属-核碱基杂化HOFs材料进一步应用于低碳烷烃的吸附分离。材料在0.1 bar和0.05 bar下具有高的乙烷(1.39～2.52 mmol·g-1)和丙烷(1.06～2.23 mmol·g-1)吸附容量,HOF-ZJU-201在0.01 bar下的乙烷吸附量(1.26 mmol·g-1)在已报道的MOFs和HOFs中居于前列。GCMC模拟和DFT-D理论计算结果表明氢键框架通过多个C-H…N和C-H…F氢键作用以及C-H…π相互作用实现低碳烷烃的选择性吸附。固定床动态穿透结果验证了这类杂化HOFs材料突出的低碳烷烃吸附分离效果,尤其能从三组分混合气中直接分离得到高纯甲烷(>99.99%),对于常规天然气中烷烃杂质的深度脱除呈现出巨大应用价值。材料良好的稳定性揭示了其工业应用前景。基于金属-核碱基杂化HOFs独特的高极化孔道和框架内丰富的氨基和含氟阴离子,进一步探索这类材料吸附分离二氧化碳、甲烷和氮气的可能。常温常压下材料具备较高的二氧化碳(2.31～3.35 mmolApoptosis抑制剂·g-1)和甲烷(0.99～1.73 mmol·g-1)吸附容量,较低的吸附热有利于这类材料在实际工业应用中快速再生。DFT-D理论计算和Hirshfeld Surface分析揭示了二氧化碳与氢键框架之间主要存在的Cδ+…Fδ-偶极-偶极、N-Hδ+…Oδ-氢键以及范德华相互作用。固定床穿透曲线表明材料在动态吸附过程中能高效分离二氧化碳/甲烷和甲烷/氮气混合物,HOF-ZJU-201的单柱单次脱附实验可获得甲烷含量高于90%的产品气,表明这类材料具有应用于低浓度甲烷气高效提浓的可能。材料的批量制备和成型造粒为其工业化应用提供了数据支撑。为进一步验证杂化HOFs材料的工业应用可行性,以HOF-ZJU-201成型颗粒为吸附剂,以低浓度甲烷气提浓为目标,利用Aspen Adsorption V11软件对基于HOF材料diABZI STING agonist溶解度的甲烷/氮气变压吸附工艺进行流程模拟和参数优化。考察了吸附剂的单塔穿透吸附分离性能,明确了吸附质在固定床内的吸附波和浓度波。设计了包括吸附、均压降、置换、真空解吸、均压升和终升压的四塔六步变压吸附流程,探究了塔高径比、解吸压力和置换气的流速、压力和组成等操作参数对产品纯度、回收率和产量的影响。通过优化操作参数确定了实现最佳纯度和最佳产品指标均衡的参数范围。变压吸附流程模拟为杂化HOFs材料的后续开发提供了理论支撑,也为低浓度煤层气的品质升级提供了借鉴和参考。