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氢气作为一种高效清洁的新型能源，广泛应用于化工生产、医药、电子、食品和航天航空等领域。工业上通常是将合成气(主要组成为H2、 CO2和CO)经水汽变换反应(Water Gas Shift Reaction，简称WGSR)和CO深度氧化反应生成氢气，然后通过变压吸附或深冷分离等方法分离提纯。膜分离法制氢相比传统的方法具有能耗低、操作简单和安全无污染等优点，近年来受到人们广泛的关注。将透氢膜与水汽变换反应耦合形成膜反应器，在反应进行的同时选择性地移走产物中的氢气，不仅能提高反应转化率而且能够实现产物中氢气的分离。MFI分子筛膜具有均一规则的孔道结构，良好的水热和化学稳定性，被认为是一种理想的氢分离膜材料。本论文在课题组前期工作的基础上，将具有高装填密度的改性中空纤维MFI分子筛膜用于水汽变换混合气的分离和高温水汽变换膜反应的研究。具体的研究内容包括: 首先，考虑到水汽变换反应体系中包含H2、CO2、CO和H2O，因此研究透氢型MFI分子筛膜在水汽变换混合气中的氢气分离性能具有重要的意义。本文在α-Al2O3中空纤维支撑体上制备了致密的MFI分子筛膜，并采用甲基二乙氧基硅烷催化裂解沉积(MDESCCD)的方法对分子筛膜孔道进行修饰。将修饰后的中空纤维MFI分子筛膜用于水汽变换混合气中氢气的分离，系统考察了进料气体组成、N2吹扫气流量、进料压力和水汽存在等因素对气体分离的影响。结果表明，增大进料气中氢气的含量和N2吹扫气流量，降低进料压力能够提高渗透侧的氢气纯度。水汽的加入会严重影响混合气中各组分的渗透，且降低膜的氢分离选择性。另外，对比了H2单组份，H2/CO2双组份和H2/CO2/CO三组份的氢气渗透性能。结果显示，在相同的进料流量和氢气分压下，单组份的H2渗透通量明显高于双组份和三组份。 其次，将改性的中空纤维MFI分子筛膜用于高温水汽变换膜反应的研究，系统考察了膜性能、反应温度、进料空速、进料水汽比、N2吹扫气流量和进料压力等因素对膜反应结果的影响，并对高温水汽变换膜反应进行了长期稳定性考察。结果表明，具有良好的氢分离性能和高氢气渗透性的MFI分子筛膜能够获得更高的膜反应转化率。当温度为350℃，进料空速为1800 LN/(kgcat·h)，进料水汽比为1.25，N2吹扫气流量为20 mL/min，进料压力为0.2 MPa时，膜反应的CO转化率最高达到85％，突破了反应热力学的限制，高于平衡转化率(77.7％)，比同条件下固定床反应的CO转化率高出22％。经过760 h的连续高温水汽变换膜反应，膜反应的CO转化率始终保持在81％左右，说明制备的MFI分子筛膜具有良好的稳定性。 最后，以水蒸气作为吹扫气进行高温水汽变换膜反应的考察，此举不仅可以促进反应的进行，而且在渗透侧不引入杂质气体，对水汽变换膜反应具有重要的现实意义。通过系统考察水蒸气吹扫流量、反应温度、进料水汽比和进料压力等条件对膜反应转化率和渗透侧氢气纯度的影响，获得了最优化的反应条件和最高的渗透侧氢气纯度。当温度为400℃，进料空速为1800 LN/(kgcat·h)，进料水汽比为1.25，进料压力为0.1 MPa，水蒸气吹扫进料流量为0.3 mL/h时，渗透侧的氢气纯度最高达到98.5％。在此条件下，对富含水蒸气的高温水汽变换膜反应进行了100 h的稳定性考察，结果显示膜反应器渗透侧的各组分气体流量和氢气纯度保持稳定，以上结果说明改性的中空纤维MFI分子筛膜在氢气生产和分离方面拥有巨大的应用潜力。