近年來(lái)，基于聚醚砜（PES）、聚砜(PSf)和聚偏氟乙烯（PVDF）利用相轉(zhuǎn)化方法制備微濾（MF）、超濾（UF）和納濾膜（NF）一直是聚合物水處理濾膜新產(chǎn)品研發(fā)和基礎(chǔ)研究的前沿。滲透性、選擇性及其權(quán)衡系數(shù)是這幾類濾膜的核心性能指標(biāo)，影響這些指標(biāo)的原料、配方、制膜工藝及測(cè)試和應(yīng)用的參數(shù)眾多，造成提升這些指標(biāo)的方法和途徑多樣化，但針對(duì)高性能濾膜的界定與制備優(yōu)化方案仍不清晰。為此，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所高分子材料結(jié)構(gòu)與大數(shù)據(jù)課題組利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，基于定量的組成-工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，針對(duì)聚合物水處理濾膜（WFM, water filtration membrane）的三個(gè)核心指標(biāo)：滲透性、選擇性及其權(quán)衡系數(shù)構(gòu)建了可靠的預(yù)測(cè)模型，開(kāi)發(fā)并發(fā)布了支持虛擬實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)軟件polySML-WFM (https://gitee.com/polysml/polySML)，可輔助配方工藝設(shè)計(jì)，評(píng)估濾膜綜合性能等級(jí)，為高性能水處理濾膜開(kāi)發(fā)提供切實(shí)指導(dǎo)。
通過(guò)對(duì)PES/PSf/PVDF基三類濾膜的前沿文獻(xiàn)報(bào)道、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊(cè)、材料的物理化學(xué)表征以及濾膜制樣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的多模態(tài)數(shù)據(jù)挖掘，構(gòu)建了含1895條具備詳盡信息的數(shù)據(jù)集，涵蓋組成、工藝、結(jié)構(gòu)、制備參數(shù)以及性能測(cè)試等關(guān)鍵信息，結(jié)合材料信息計(jì)算、工藝標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的轉(zhuǎn)換和歸一化，建成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集，進(jìn)而利用隨機(jī)森林算法開(kāi)展了特征工程、回歸和分類模型構(gòu)建。
首先明確了常見(jiàn)分離物質(zhì)的尺寸和分子量分布，濾膜三個(gè)核心性能指標(biāo)滲透性(Lp)、選擇性(1/S0)以及新提出的權(quán)衡系數(shù)(Tr)的分布范圍。三種高分子從性能指標(biāo)分布看幾乎可以相互替代，但從分離物質(zhì)大分子類、染料類和鹽類物質(zhì)來(lái)看，分離的性能指標(biāo)分布存在顯著差異。
圖1. 分離物質(zhì)的半徑(a)和分子量(a’)分布以及根據(jù)不同聚合物(b-d)和分離物質(zhì)(b’-d’)分類的濾膜性能指標(biāo)分布。
1. 回歸預(yù)測(cè)模型
利用之前提出的Lsig值的判定和應(yīng)用方法（J. Mater. Chem. A 2019, 7, 11847-11857），通過(guò)特征工程選取了17個(gè)特征，包含膜材料、相轉(zhuǎn)化法中的核心試劑應(yīng)用和工藝控制參數(shù)，以及膜性能測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)定等信息。依據(jù)這些特征對(duì)滲透性、選擇性及其權(quán)衡系數(shù)構(gòu)建了回歸預(yù)測(cè)模型，其穩(wěn)定性和可靠性通過(guò)了嚴(yán)格的10倍交叉驗(yàn)證。同時(shí)，評(píng)估了這些特征與性能指標(biāo)的定性和定量關(guān)聯(lián)性，部分關(guān)聯(lián)關(guān)系與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)定性規(guī)律一致（已知因果關(guān)系），同時(shí)也揭示了材料與試劑內(nèi)在化學(xué)特征與性能的定量關(guān)聯(lián)性（未知關(guān)聯(lián)關(guān)系）。
圖2. 對(duì)數(shù)坐標(biāo)下Lp (a), 1/S0 (b) 和 Tr (c)的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值作圖，對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)模型的特征重要性排序(a’-c’)。
2. 分類預(yù)測(cè)模型
濾膜的滲透性和選擇性存在權(quán)衡(trade-off)，而Robeson上限被廣泛用于分離膜綜合性能評(píng)估。通過(guò)將濾膜廣泛使用的、描述權(quán)衡上限的理論模型曲線引入到滲透性和選擇性二維關(guān)聯(lián)圖中，調(diào)整模型參數(shù)可將分離大分子類和分離鹽類濾膜數(shù)據(jù)集分為帕累托集（20:80）和平衡集（50:50）。在此基礎(chǔ)上，訓(xùn)練出了可以識(shí)別綜合性能優(yōu)異的前20%或前50%的濾膜產(chǎn)品的分類預(yù)測(cè)模型。新定義的權(quán)衡系數(shù)Tr可由實(shí)驗(yàn)值簡(jiǎn)單計(jì)算得到，對(duì)于分離大分子來(lái)說(shuō)，其下限為1.0和0.46即可分別達(dá)到前20%和前50%，而鹽類分離的下限分別為0.80和0.17。膜產(chǎn)品由前50%提升到前20%，提升鹽類分離膜的難度系數(shù)是大分子分離膜的2.6倍。
圖3. 分離大分子類和鹽類的濾膜的選擇性-透過(guò)性trade-off 曲線(a, a’)，和對(duì)應(yīng)分類模型的ROC曲線(b,b’)，以及Tr分布的箱線圖(c,c’)。
3. 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
通過(guò)集成上述準(zhǔn)確可靠的回歸和分類模型，他們開(kāi)發(fā)了具有友好UI并可在windows環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行的的軟件polySML-WFM，發(fā)布在https://gitee.com/polysml/polySML。該軟件支持高性能濾膜開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)(virtual experiment)，輔助開(kāi)發(fā)人員快速縮小組成、工藝和測(cè)試條件等參數(shù)篩選，預(yù)測(cè)濾膜性能并評(píng)估濾膜分離不同物質(zhì)的綜合等級(jí)，提升高性能MF,UF和NF聚合物分離膜的研發(fā)水平。
圖4. polySML-WFM軟件用戶界面。
該工作近期以標(biāo)題Predicting the performance of polyvinylidene fluoride, polyethersulfone and polysulfone filtration membranes using machine learning發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A，相關(guān)軟件polySML已獲得軟件著作權(quán)授權(quán)。論文的第一作者為博士研究生劉婷麗，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所特別研究助理劉倫洋博士和李云琦研究員。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（21774128，U1832177，51988102），中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDY-SSW-SLH027）支持。
原文鏈接：
Tingli Liu, Lunyang Liu, Fengchao Cui, Fang Ding, Qifeng Zhang, Yunqi Li, Predicting the performance of polyvinylidene fluoride, polyethersulfone and polysulfone filtration membranes using machine learning, J. Mater. Chem. A, 2020,8, 21862-21871。
https://doi.org/10.1039/D0TA07607D
