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Machine Learning-Assisted Design of Thin-Film Composite Membranes for Solvent Recovery

渗透 纳滤 溶剂 化学工程 二甲基甲酰胺 单体 丙酮 材料科学 甲醇 复合数 化学 聚合物 有机化学 复合材料 工程类 渗透 生物化学
作者
Mao Wang,Gui Min Shi,Daohui Zhao,Xinyi Liu,Jianwen Jiang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (42): 15914-15924 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c04773
摘要

Organic solvents are extensively utilized in industries as raw materials, reaction media, and cleaning agents. It is crucial to efficiently recover solvents for environmental protection and sustainable manufacturing. Recently, organic solvent nanofiltration (OSN) has emerged as an energy-efficient membrane technology for solvent recovery; however, current OSN membranes are largely fabricated by trial-and-error methods. In this study, for the first time, we develop a machine learning (ML) approach to design new thin-film composite membranes for solvent recovery. The monomers used in interfacial polymerization, along with membrane, solvent and solute properties, are featurized to train ML models via gradient boosting regression. The ML models demonstrate high accuracy in predicting OSN performance including solvent permeance and solute rejection. Subsequently, 167 new membranes are designed from 40 monomers and their OSN performance is predicted by the ML models for common solvents (methanol, acetone, dimethylformamide, and n-hexane). New top-performing membranes are identified with methanol permeance superior to that of existing membranes. Particularly, nitrogen-containing heterocyclic monomers are found to enhance microporosity and contribute to higher permeance. Finally, one new membrane is experimentally synthesized and tested to validate the ML predictions. Based on the chemical structures of monomers, the ML approach developed here provides a bottom-up strategy toward the rational design of new membranes for high-performance solvent recovery and many other technologically important applications.
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