Predicting Aqueous Adsorption of Organic Compounds onto Biochars, Carbon Nanotubes, Granular Activated Carbons, and Resins with Machine Learning

吸附 塔夫特方程 化学 活性炭 水溶液 碳纳米管 人工神经网络 生物系统 热力学 计算机科学 材料科学 有机化学 机器学习 纳米技术 物理 取代基 生物
作者
Kai Zhang,Shifa Zhong,Huichun Judy Zhang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:54 (11): 7008-7018 被引量:220
标识
DOI:10.1021/acs.est.0c02526
摘要

Predictive models are useful tools for aqueous adsorption research; existing models such as multilinear regression (MLR), however, can only predict adsorption under specific equilibrium concentrations or for certain adsorption isotherm models. Also, few studies have discussed data processing beyond applying different modeling algorithms to improve the prediction accuracy. In this research, we employed a cosine similarity approach that focused on mining the available data before developing models; this approach can mine the most relevant data concerning the prediction target to build models and was found to considerably improve the prediction accuracy. We then built a machine-learning modeling process based on neural networks (NN), a group-selection data-splitting strategy for grouped adsorption data for adsorbent-adsorbate pairs under different equilibrium concentrations, and polyparameter linear free energy relationships (pp-LFERs) for aqueous adsorption of 165 organic compounds onto 50 biochars, 34 carbon nanotubes, 35 GACs, and 30 polymeric resins. The final NN-LFER models were successfully applied to various equilibrium concentrations regardless of the adsorption isotherm models and showed less prediction deviations than the published models with the root-mean-square errors 0.23-0.31 versus 0.23-0.97 log unit, and the predictions were improved by adding two key descriptors (BET surface area and pore volume) for the adsorbents. Finally, interpreting the NN-LFER models based on the Shapley values suggested that not considering equilibrium concentration and properties of the adsorbents in the existing MLR models is a possible reason for their higher prediction deviations.
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