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        多孔介質中氣固吸附的跨溫度預測:一種結合物理約束和機器學習的混合方法

        《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》:Cross-Temperature Prediction of Gas–Solid Adsorption in Porous Media: A Hybrid Approach Combining Physical Constraints and Machine Learning

        【字體: 時間:2026年03月01日 來源:Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 5.4

        編輯推薦:

          氣吸附溫度預測的物理指導機器學習框架研究:通過整合廣義范德華配分函數(shù)與機器學習參數(shù)-溫度映射及熱力學約束殘差修正,構建分層物理指導機器學習框架,驗證顯示該框架在六個不同氣固系統(tǒng)(包括甲烷和二氧化碳在煤、 kerogen、石墨及MOFs中的吸附)中均優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)驗模型、基礎物理理論和純數(shù)據(jù)驅動方法,揭示了有機質結構柔性差異導致的吸附機理溫度依賴性規(guī)律。

          
        錢陽|王超林|趙宇|沈明軒
        貴州大學土木工程學院,中國貴陽550025

        摘要

        在多孔介質中準確預測氣體吸附的跨溫度行為仍然是能源和環(huán)境應用中的一個基本挑戰(zhàn),因為傳統(tǒng)的物理理論在不同條件下面臨系統(tǒng)性偏差,而純粹的數(shù)據(jù)驅動方法缺乏熱力學一致性,并且無法推廣到訓練數(shù)據(jù)之外的情況。我們通過一個分層物理引導的機器學習框架來解決這一挑戰(zhàn),該框架將廣義范德華分配函數(shù)作為機制基礎,結合基于機器學習的參數(shù)-溫度映射和熱力學約束的殘差校正,從而實現(xiàn)了機制可解釋性和高預測準確性。我們在六個具有不同材料類型(干酪根、煤、石墨和金屬有機框架)和吸附劑(CH?和CO?)的代表性系統(tǒng)中驗證了該框架,訓練溫度被策略性地設置在極端范圍和較大差距上,以嚴格測試僅使用中間溫度作為盲預測目標的外推能力。混合模型在所有系統(tǒng)中都表現(xiàn)出卓越的準確性,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗模型、基線物理理論和物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡。重要的是,系統(tǒng)參數(shù)分析揭示了不同類型有機物質之間溫度依賴性吸附機制的系統(tǒng)性差異,表明存在一個定性上的靈活性-剛性梯度:靈活的無定形干酪根通過構象重排表現(xiàn)出異常的溫度增強相互作用,剛性的交聯(lián)煤表現(xiàn)出經(jīng)典的熱衰減,而有序的晶體石墨則表現(xiàn)出卓越的參數(shù)穩(wěn)定性——這一模式與結構靈活性方向一致,為預測不同類型有機物質中的吸附參數(shù)演變提供了初步指導。該框架提供了一種結合物理透明度和機器學習能力的一般化方法,可直接應用于非常規(guī)氣體提取、地質二氧化碳封存和能源存儲優(yōu)化。

        引言

        氣體在多孔介質(如頁巖和煤)中的吸附行為對于非常規(guī)天然氣提取、地質二氧化碳封存和增強甲烷回收等應用至關重要[1]、[2]、[3]。吸附等溫線不僅反映了分子與孔表面之間的相互作用特性,還為工程模擬和過程優(yōu)化提供了重要基礎。隨著能源和環(huán)境挑戰(zhàn)的加劇,準確預測不同溫度條件下的氣體吸附行為已成為學術界和工業(yè)界共同關注的關鍵問題。
        在實際應用中,溫度變化幾乎是不可避免的。例如,地熱梯度、氣體注入過程中產(chǎn)生的熱效應以及儲存和運輸條件的波動都會強烈影響吸附行為[4]。能夠在廣泛溫度范圍內實現(xiàn)可靠預測具有重要意義。它減少了大量的實驗工作和成本,并提高了復雜吸附過程模擬的準確性,從而為氣體儲存、分離和碳減排等工程應用提供了可靠的支持。為了應對這些挑戰(zhàn),研究人員探索了物理和數(shù)據(jù)驅動的建模方法。
        大量研究試圖使用經(jīng)驗模型和物理模型來描述吸附行為。經(jīng)典的經(jīng)驗模型,如朗繆爾[5]、[6]、弗倫德利希[7]和杜比寧-拉杜什凱維奇[8]在特定條件下表現(xiàn)良好,但它們大多僅限于在單一點上進行擬合,無法實現(xiàn)跨溫度預測。從統(tǒng)計力學導出的廣義范德華分配函數(shù)可以提供不同類型等溫線的統(tǒng)一描述,具有明顯的理論優(yōu)勢,并原則上支持跨溫度預測。然而,廣義范德華理論[9]在跨溫度應用中仍然存在明顯限制:當預測溫度遠離已知數(shù)據(jù)點時,預測準確性會下降,且在寬溫度范圍內的可靠性無法得到保證。此外,該理論在處理復雜多孔介質的異質性、精確描述分子間相互作用以及定義狀態(tài)方程的適用性方面依賴于近似。這些近似在不同溫度和壓力條件下引入了系統(tǒng)性偏差,從而阻礙了該理論在工程應用中滿足高精度跨溫度預測的需求。
        然而,物理模型的局限性也推動了數(shù)據(jù)驅動方法的快速發(fā)展。近年來,機器學習在吸附預測中得到了廣泛應用,并取得了顯著成果。施凱航等人利用二維能量直方圖特征結合機器學習,實現(xiàn)了對金屬有機框架(MOFs)中Kr、Xe和烷烴吸附能力的高精度預測(R2 ≈ 0.94–0.99)[10]。袁向洲等人使用梯度提升決策樹預測了生物質衍生多孔碳的CO?吸附性能,在訓練集上的R2為0.98,在測試集上的R2為0.84[11]。瑪麗亞姆·帕爾達克希蒂等人結合結構和化學描述符與隨機森林預測了130,398個MOFs數(shù)據(jù)集中的甲烷吸附,獲得了R2 = 0.98和MAPE ≈ 7%[12]。穆罕默德·拉齊克·拉希米·庫等人比較了多種算法,發(fā)現(xiàn)徑向基函數(shù)支持向量回歸取得了最佳結果(R = 0.994)[13]。馮維克托等人提出了一個名為DOSnet的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡自動從態(tài)密度中提取特征來預測不同系統(tǒng)的吸附能量,平均絕對誤差約為0.1電子伏特[14]。總體而言,這些方法可以處理復雜的非線性關系,自動從高維數(shù)據(jù)中提取有效特征,并揭示出孔徑、表面積和官能團等關鍵因素。然而,現(xiàn)有方法仍存在不足:缺乏物理約束,通常僅限于單溫度條件,容易在數(shù)據(jù)有限時過擬合,且可解釋性不足。因此,僅依賴機器學習無法滿足跨溫度吸附預測的可靠性和準確性要求。
        本研究提出了一個分層混合建模框架,將物理約束與機器學習相結合,以同時解決跨溫度吸附預測的準確性和可靠性問題。該框架采用兩階段策略:在第一階段,通過機器學習構建參數(shù)-溫度映射來擴展廣義范德華理論,使物理模型能夠進行跨溫度預測;在第二階段,使用神經(jīng)網(wǎng)絡殘差學習進一步校正預測偏差,同時引入物理一致性約束以保持熱力學有效性。本研究選擇了六個代表性系統(tǒng)進行驗證:甲烷-石墨、甲烷-煤、甲烷-干酪根、二氧化碳-干酪根、二氧化碳-IRMOF-1和甲烷-IRMOF-1。結果表明,分層策略在大多數(shù)情況下提高了跨溫度預測的準確性,而自適應機制在不同場景中保持了可靠性,顯示出強大的工程應用潛力。

        部分摘錄

        基本參數(shù)

        如表1所示,計算CH?和CO?的逸度系數(shù)、氣相密度和吸附區(qū)域密度需要相關的物理化學參數(shù)。表中的臨界溫度、臨界壓力和偏心因子直接決定了氣體的狀態(tài)性質,而分子直徑、勢阱深度和勢相互作用范圍則影響分子間相互作用的強度和范圍,從而影響

        結果與討論

        本章通過三個漸進層次建立了完整的論點。第一層次(第3.1節(jié))驗證了混合框架在六個代表性系統(tǒng)中的跨溫度預測準確性,但準確性數(shù)字本身并不是最終目標——準確性差異背后的物理機制才是核心關注點。對天然有機物質系統(tǒng)的參數(shù)分析揭示了溫度依賴性吸附機制的系統(tǒng)性差異

        結論

        本研究旨在解決氣體吸附建模中的一個關鍵挑戰(zhàn):如何在物理可解釋性和預測準確性之間取得平衡,從而實現(xiàn)可靠的跨溫度預測。傳統(tǒng)的物理模型,如廣義范德華理論,雖然能夠提供機制洞察,但存在系統(tǒng)性偏差,且溫度適用性有限;而純粹的機器學習方法雖然可以實現(xiàn)高擬合準確性,但缺乏

        資助

        本研究得到了中國國家自然科學基金(編號52264006)和貴州省科學技術基金(編號GCC[2022]005-1)的支持

        CRediT作者貢獻聲明

        錢陽:撰寫——原始草稿。沈明軒:資源提供。王超林:研究、概念化。趙宇:撰寫——審閱與編輯、方法論、研究。

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
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