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最近,多孔材料如沸石和金属-有机骨架(Metal-Organic Framework, MOF)材料在化学工程和材料科学领域取得了重要发展。特别地,MOF材料具有独特的属性(孔尺寸可控性、结构可设计性及化学功能化),使其在吸附分离、膜分离、催化和生物医药等方面受到了广泛的关注。另外,作为实验研究的补充,分子模拟在揭示MOF材料的微观机理、建立材料结构-性能(构效)关系以及材料设计等方面表现出了极大的优势。本文利用实验与分子模拟相结合的方法,对MOF材料在水相中有机芳香分子吸附分离及气相吸附/膜分离中的应用进行了研究,主要工作如下：1、以水稳定的MIL-68(Al)材料为例,实验测定了水溶液中苯胺吸附等温线并验证了计算模型。进一步,系统地研究了水相中苯胺在32种MOF材料中的吸附行为,并分析了MOF材料吸附苯胺的构效关系。结果表明,在低浓度下,苯胺吸附热和材料自由体积对苯胺吸附同时起重要作用；在高浓度下,苯胺吸附量取决于材料的自由体积。另外,本工作提出了用于苯胺回收的最佳MOF材料的设计要求,并以此计算设计了一系列高性能材料。2、由于苯胺、苯酚具有相近的分子尺寸和沸点,有效分离苯胺／苯酚体系存在技术挑战。本工作结合实验与分子模拟方法,研究了废水中苯胺／苯酚在柔性MIL-53(Al)材料中吸附分离行为。结果表明,在客体分子吸附过程中骨架柔性起了很重要的作用,因此能极大强化苯胺／苯酚的分离。与传统吸附剂相比,MIL-53(A1)具有很高的苯胺吸附容量和苯胺／苯酚分离选择性。因此,MIL-53(A1)可以作为这一体系分离的理想吸附剂。3、以变压吸附工艺为例,采用分子模拟方法,研究了湿度条件下112种不同类型MOF材料用于天然气净化的构效关系。本工作以吸附选择性、目标组分工作容量和再生性为评价标准,提出了湿度条件下MOF材料设计的要求,并筛选了理想的应用材料。4、采用了一种便宜且生物可兼容的MOF材料,MIL-88B(Fe),与Matrimid(?)5218聚合物掺杂制备了MIL-88B(Fe)/Matrimid混合基质膜用于能源气体(H2/CH4)净化；测试了MIL-88B(Fe)/Matrimid膜的H2/CH4单组分和等摩尔混合组份的渗透分离性能。实验结果表明,由于分子筛效应,MIL-88B(Fe)掺杂能强化混合基质膜中H2的通量但是会阻碍CH4的传质,因此强化了H2/CH4分离性能。在298 K和3 bar下,与纯聚合物膜相比,含10% MIL-88B(Fe)的混合基质膜中H2的通量和H2/CH4分离因子分别提高了16%和66%。另外,升高操作温度能强化MIL-88B(Fe)/Matrimid膜的H2/CH4分离性能。5、MOF膜后改性是提高其气体分离性能的一种有效策略。然而,目前报道的改性方法需要MOF材料具备能参与反应的功能团,因而限制了这种方法的应用。为此,本工作提出了一种简单的膜改性方法用于C02捕集。仿生的聚多巴胺几乎对任何材料都具有很强的黏附性。并且聚多巴胺含有大量的氨基和羟基,能对CO2形成强的吸附作用位点。作为概念验证试验,本工作采用聚多巴胺对典型的ZIF-8膜进行化学修饰。实验结果表明,在298 K和1 bar下,修饰后的ZIF-8膜表现出优异的CO2分离性能,CH4/CO2和N2/C02选择性分别为19.0,4.56和5.91,超过了对应的努森选择性(4.69,1.65和1.25)。为了说明这一方法的通用性,本工作进一步用聚多巴胺对氧化石墨烯GO进行修饰,制备了具有C02选择性的GO膜。这些工作表明,聚多巴胺可以作为膜后改性一个便捷和强大平台。