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Exploring the Knowledge Attained by Machine Learning on Ion Transport across Polyamide Membranes Using Explainable Artificial Intelligence

可解释性 纳滤 聚酰胺 反渗透 人工智能 化学 计算机科学 生化工程 机器学习 工程类 有机化学 生物化学
作者
Nohyeong Jeong,Razi Epsztein,Ruoyu Wang,Shinyun Park,Shihong Lin,Tiezheng Tong
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (46): 17851-17862 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c08384
摘要

Recent studies have increasingly applied machine learning (ML) to aid in performance and material design associated with membrane separation. However, whether the knowledge attained by ML with a limited number of available data is enough to capture and validate the fundamental principles of membrane science remains elusive. Herein, we applied explainable artificial intelligence (XAI) to thoroughly investigate the knowledge learned by ML on the mechanisms of ion transport across polyamide reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) membranes by leveraging 1,585 data from 26 membrane types. The Shapley additive explanation method based on cooperative game theory was used to unveil the influences of various ion and membrane properties on the model predictions. XAI shows that the ML can capture the important roles of size exclusion and electrostatic interaction in regulating membrane separation properly. XAI also identifies that the mechanisms governing ion transport possess different relative importance to cation and anion rejections during RO and NF filtration. Overall, we provide a framework to evaluate the knowledge underlying the ML model prediction and demonstrate that ML is able to learn fundamental mechanisms of ion transport across polyamide membranes, highlighting the importance of elucidating model interpretability for more reliable and explainable ML applications to membrane selection and design.
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