Machine Learning-Enabled Prediction and High-Throughput Screening of Polymer Membranes for Pervaporation Separation

渗透汽化 聚合物 材料科学 溶剂 溶解度参数 分离(统计) 合成膜 化学工程 分离过程 膜技术 溶解度 工艺工程 有机化学 计算机科学 机器学习 化学 复合材料 工程类 渗透 生物化学
作者
Mao Wang,Qisong Xu,Hongjian Tang,Jianwen Jiang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 8427-8436 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.1c22886
摘要

Pervaporation (PV) is considered as a robust membrane-based separation technology for liquid mixtures. However, the development of PV membranes is impeded largely by the lack of adequate models capable of reliably predicting the performance of PV membranes. In this study, we collect an experimental data set with a total of 681 data samples including 16 polymers and 6 organic solvents for a wide variety of water/organic mixtures under various operating conditions. Then, two types of machine learning (ML) models are developed for prediction and high-throughput screening of polymer membranes for PV separation. Based on the intrinsic properties of polymer and solvent (water contact angle of polymer and solubility parameter of solvent) as gross descriptors, the first type accurately predicts PV separation performance (total flux and separation factor). The second type is based on the molecular representation of polymer and solvent, giving accuracy comparable to the first type, and applied to screen ∼1 million hypothetical polymers for PV separation of water/ethanol mixtures. With a threshold of 700 for the PV separation index, 20 polymers are shortlisted, with many surpassing experimental samples. Among these, 10 are further identified to be synthesizable in terms of a synthetic complexity score. The ML models developed in this study would facilitate the optimization of operating conditions and accelerate the development of new polymer membranes for high-performance PV separation.
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