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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Attribution 3.0 United States
Title: Abordagens de aprendizado de máquina para prever o equilíbrio de adsorção de gases leves em zeólitas, carvões ativados e redes metalorgânicas
Alternate title (s): Machine learning approaches to predict adsorption equilibrium of light gases on zeolites, activated carbons, and metal-organic frameworks
Author: Bezerra, Thaylane da Rocha
First Advisor: Altino, Sarah Arvelos
First coorientator: Coutinho Filho, Ubirajara
First member of the Committee: Gedraite, Rubens
Second member of the Committee: Antonio José Gonçalves da, Antonio José Gonçalves da
Summary: Este estudo teve como objetivo extrair conhecimento sobre a adsorção de gases leves por materiais microporosos (zeólitas, MOFs e carvões de ativação) através de análise de dados e algoritmos de aprendizado de máquina: K-vizinhos mais próximos (KNN), Árvores de Decisão (AD) e Regressão por Vetores de Suporte (RVS) dos dados reportados em 22 artigos publicados entre os anos 1974 e 2022. Um banco de dados contendo 3.352 pontos de dados exibindo os efeitos de 8 variáveis de entrada (volume de poros do sólido; área superficial do sólido; temperatura e pressão do experimento; técnica de medida da capacidade de adsorção, polarizabilidade, diâmetro cinético e massa molecular dos gases) sobre a capacidade de adsorção foi construído. Diagramas de caixa, histogramas, gráficos de barra e dispersão foram aplicados, como parte da análise exploratória de dados, para determinar como várias variáveis de entrada se relacionam entre si e com a variável de desempenho. Além disso, os modelos KNN, AD e RVS foram utilizados para regressão dos dados de capacidade adsorvida. O estudo paramétrico destes modelos permitiu determinar a importância relativa das variáveis de entrada e a dependência parcial entre elas visando explorar a interpretabilidade da modelagem (para deduzir heurísticas para alta ou baixa capacidade de adsorção). Constatou-se a partir da análise exploratória dos dados que a pressão, temperatura, polarizabilidade e massa molar do gás foram as variáveis mais significativas que afetaram a capacidade de adsorção. Além disso, combinações de variáveis de entrada que levam a um alto desempenho de adsorção foram reveladas por meio da análise dos modelos, as quais podem ser usadas como diretrizes para estudos futuros nesta área.
Abstract: This study aimed to extract knowledge about the adsorption of light gases by microporous materials (zeolites, MOFs, and activated carbons) through data analysis and machine learning algorithms: K-nearest neighbors (KNN), Decision Trees (DT), and Support Vector Regression (SVR) of data reported in 22 articles published between 1974 and 2022. A database containing 3352 data points displaying the effects of 8 input variables (solid pore volume; solid surface area; experimental temperature and pressure; adsorption capacity measurement technique; gas polarizability, kinetic diameter, and molecular mass) on adsorption capacity was constructed. Box plots, histograms, bar charts, and scatter plots were applied (as part of exploratory data analysis) to determine how various input variables relate to each other and the performance variable. Additionally, KNN, DT, and SVR models were used for the regression of the adsorbed capacity data. Furthermore, the parametric study of these models allowed determining the relative importance of input variables and partial dependence among them to explore model interpretability (to deduce heuristics for high or low adsorption capacity). The exploratory data analysis found that pressure, temperature, gas polarizability, and molecular mass were the most significant variables affecting adsorption capacity. Additionally, combinations of input variables leading to high adsorption performance were revealed through the model analysis, which can be used as guidelines for future studies in this area.
Keywords: Adsorção
Gases leves
Aprendizado de máquina
Adsorption
Light gases
Machine learning
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: BEZERRA, Thaylane da Rocha. Abordagens de aprendizado de máquina para prever o equilíbrio de adsorção de gases leves em zeólitas, carvões ativados e redes metalorgânicas. 2023. 117 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.617.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.617
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/41339
Date of defense: 27-Nov-2023
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
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