CN105612125A - 用于同位素水分离的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于根据水的同位素形式来过滤水的方法和系统。在一些实施例中，可将包含至少两种不同同位素形式的水的流引导到包括氧化石墨烯膜的一个或多个过滤模块中。可使用所述氧化石墨烯膜(一个或多个)将所述流分离成渗透物和渗余物，其中所述渗透物包含相对于所述渗余物而言增大浓度的轻水。

Description

用于同位素水分离的系统和方法
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2013年8月23日提交且名称为“用于同位素水分离的系统和方法(SYSTEMSANDMETHODSFORISOTOPICWATERSEPARATION)”的美国临时专利申请No.61/869,568的权益，所述申请的全文以引用方式并入本文中。
发明内容
本文公开了用于根据水的同位素形式来过滤水的方法和系统的实施例和实施方案。例如，在一些实施例和实施方案中，氧化氘和/或氧化氚可与更高丰度同位素形式的包含无中子的氢原子的水分离。一些实施例和实施方案可尤其结合核电站使用，在所述核电站中，核反应堆使用重水减缓反应堆(一个或多个)中发生的核反应。由于在重水从核反应俘获中子时该重水中的一些会变成氚化水，并且由于必须先去除重水才能将这种水返还环境，因此其可有效用来从水的其他同位素形式中的一者或两者中过滤或分离重水。
在用于根据水的同位素形式从核电站过滤水的方法的一个具体例子中，所述方法可包括从核电站获得液态水的废物流。此类流通常包含至少两种不同同位素形式的水(诸如氚化水和轻水或正常水)。在一些实施方案中，可加热液态水的废物流以形成气体，所述气体包含至少两种不同同位素形式的水。
然后可将气体引导到过滤模块中，所述过滤模块包括一个或多个氧化石墨烯膜。可将气体的至少一部分引导到一个或多个氧化石墨烯膜中，使得所述氧化石墨烯膜(一个或多个)可用于将气体分离成渗透物和渗余物，其中所述渗透物包含相对于渗余物而言增大浓度的轻水。
在一些实施方案中，氧化石墨烯膜可包括多个氧化石墨烯片材。在一些实施方案中，氧化石墨烯膜可具有约0.1微米至约10微米之间的厚度。在一些此类实施方案中，氧化石墨烯膜可具有约0.2至约6微米之间的厚度。在一些此类实施方案中，氧化石墨烯膜可具有约0.3至约1微米之间的厚度。在一些此类实施方案中，氧化石墨烯膜可具有约0.5微米的厚度。
在一些实施方案中，所述多个氧化石墨烯片材每一者与相邻氧化石墨烯片材相隔约0.5纳米至约2纳米之间的距离。在一些此类实施方案中，这些片材可层合成与每个相邻片材相隔约1纳米的距离。在一些实施方案中，这些片材可层合成与每个相邻片材相隔至少约0.6纳米的距离。
在用于根据水的同位素形式来过滤水的方法的另一个例子中，所述方法可包括将包含至少两种不同同位素形式的水的流引导到过滤模块中，其中所述过滤模块包括氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜包括多个氧化石墨烯片材。可将所述流的至少一部分输送通过氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜可将所述流分离成渗透物和渗余物，其中所述渗透物包含相对于渗余物而言增大浓度的轻水。
在一些实施方案中，所述流可包括来自核电站的水的废物流。
在一些实施方案中，渗透物可被引导到第二过滤模块中，并且在一些此类实施方案中，可被引导到多个另外的过滤模块中。此类过滤模块(一个或多个)也可包括氧化石墨烯膜，每个氧化石墨烯膜包括多个氧化石墨烯片材。
在一些实施方案中，可将渗透物的至少一部分输送通过第二过滤模块和/或其他过滤模块(一个或多个)的氧化石墨烯膜，这可导致渗透物分离成一种或多种次级渗透物和次级渗余物(一种或多种)，其中所述次级渗透物(一种或多种)包含相对于次级渗余物(一种或多种)而言增大浓度的轻水。在一些实施方案中，可将次级渗余物(一种或多种)重新引导到初始过滤模块中的一者或多者中，使得次级渗余物的至少一部分输送通过过滤模块(一个或多个)的氧化石墨烯膜。这样，可建立回流级联过滤系统。
在一些实施方案中，可加热包含至少两种不同同位素形式的水的液态水以形成气体。在一些此类实施方案中，所述流可包含气体，使得水蒸气被输送通过过滤模块(一个或多个)的氧化石墨烯膜。在一些此类实施方案中，加热液态水的步骤可包括使用机械蒸气再压缩过程。
在核电站过滤系统的一个具体例子中，系统可包括与来自核电站的水的废物流耦合的进口。水的废物流可包含至少两种不同同位素形式的水，并且水的废物流可包含第一浓度的重水与超重水中的至少一者。所述系统还可包括多个过滤模块，所述多个过滤模块中的一者或多者与进口耦合。
所述多个过滤模块中的一者或多者可包括至少一个氧化石墨烯膜，并且所述氧化石墨烯膜中的一者或多者可包括多个氧化石墨烯片材，所述多个氧化石墨烯片材一起耦合成层状联锁结构。所述多个过滤模块中的至少一者可被构造为将废物流分离成渗透物和渗余物，其中所述渗透物包含相对于渗余物而言增大浓度的轻水。在一些实施例中，所述多个过滤模块中的每一者可包括至少一个氧化石墨烯膜，并且所述氧化石墨烯膜中的每一者可包括多个氧化石墨烯片材，所述多个氧化石墨烯片材一起耦合成层状联锁结构。
一些实施例还可包括与所述多个过滤模块中的至少一者耦合的出口，其中所述出口被构造为输送包含第二浓度的重水与超重水中的至少一者的水，并且其中所述第二浓度低于所述第一浓度。
在一些实施例中，所述第二浓度至少基本上为零。换句话讲，在一些实施例中，过滤模块(一个或多个)可被构造为至少基本上从液态水和/或气态水的进流去除重水和/或超重水。
在一些实施例中，所述多个过滤模块可构成回流级联过滤系统。在一些实施例中，可提供一个或多个热预处理模块以从水的废物流接收液态水并且将液态水转化为气态水。热预处理模块(一个或多个)可与所述多个过滤模块中的至少一者直接或间接地耦合。在一些实施例中，热预处理模块(一个或多个)可包括机械蒸气再压缩模块。
一些实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持系统内或系统的至少一个过滤模块内的具体湿度和/或水分压。例如，一些实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持一个或多个过滤模块的一个或多个过滤部分内至少约10毫巴的水分压。一些此类实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持一个或多个过滤模块的一个或多个过滤部分内至少约15毫巴的水分压。
除此之外或作为另外一种选择，一些实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约20％的相对湿度。一些此类实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约30％的相对湿度。一些此类实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约50％的相对湿度。
在一些实施例中，第二出口可与所述多个过滤模块中的至少一者耦合。第二出口可被构造为输送相对于第一出口而言的“重”水(包含重水和/或超重水)。换句话讲，第二出口可被构造为输送包含第三浓度的重水与超重水中的至少一者的水，其中所述第三浓度高于所述第一浓度。
可在一个或多个替代实施例中以任何合适方式组合本文结合一个实施例公开的特征、结构、步骤或特性。
附图说明
本文的书面公开描述了非限制性和非穷举性的说明性实施例。参考附图中描绘的某些此类说明性实施例，其中：
图1示出了使用氧化石墨烯膜将一种或多种同位素形式的水与一种或多种其他同位素形式的水分离的系统的实施例。
图2示出了使用氧化石墨烯膜将一种或多种同位素形式的水与一种或多种其他同位素形式的水分离的系统的替代实施例。
图3示出了使用氧化石墨烯膜将一种或多种同位素形式的水与一种或多种其他同位素形式的水分离的系统的又一个实施例。
具体实施方式
通过参考附图可最佳地理解实施例，其中遍及全文相似部分是由相似数字指定。将容易了解，如本文附图中大体描述且说明的本公开的组件可被布置和设计成各种各样的不同配置。因此，以下对设备的实施例的更详细描述不旨在限制本公开的范围，而是仅仅表示本公开的可行实施例。在一些情况下，未详细示出或描述熟悉的结构、材料或操作以避免混淆本公开的各个方面。此外，可在一个或多个替代实施例和/或实施方案中以任何合适方式组合所描述的特征、结构、步骤或特性。
本公开提供了用于将一种或多种同位素形式的水与一种或多种其他同位素形式的水分离的方法和系统的各种实施例和实施方案。例如，在一些实施例和实施方案中，氧化氘(“重水”)可与更高丰度同位素形式的包含无中子的氢原子的水(“正常”或“轻”水)分离。在其他实施例和实施方案中，氧化氚(“氚化水”或“超重水”)可与正常水分离。本领域普通技术人员应当理解，稀释程度更大的形式的超重水可包含HTO(3HOH)以及水。在一些实施例和实施方案中，氚化水和重水可在一个或多个过程中彼此分离。作为另外一种选择，氚化水可与重水一起与轻水分离。
如下文更详细讨论，本文所公开的本发明原理可允许因分子间多种多样不同的特性而使分子彼此分离，而在其他过滤过程中可能难以利用分子间多种多样不同的特性。例如，虽然可在一个或多个实施例中分离/过滤的具体分子的分子量中的一些可有所不同，但在其他实施例中，可使用其他物理和/或化学特性诸如键角和/或键长来分离具体分子。
据认为本文所讨论的一个或多个原理、实施例和/或实施方案尤其可结合核能发电厂使用。例如，许多核反应堆使用重水减缓反应堆(一个或多个)中发生的核反应。在重水从核反应俘获中子时，该重水中的一些会变成氚化水。由于氚化水有放射性，可能有利的是先从废物流去除这种水，再将水释放到环境中，以便限制氚化水对活生物体以及更一般地对环境的有害影响。因此，一些实施例和实施方案可被具体构造为在核电站的水废物流中从轻水过滤或以其他方式分离氚化水。
其他实施例和实施方案可另外或作为另外一种选择被构造为从轻水过滤或以其他方式分离重水。由于重水虽然没有放射性，也可起到有用的作用(诸如用作核电站中的慢化剂)，因此一些实施例和实施方案可被具体构造为分离并贮存重水以供日后使用或出售。
虽然本文所讨论的优选实施例和实施方案整体涉及核能工业，但可以设想，本文所公开的本发明构思可适用于其他工业，诸如适用于获得重水和/或超重水以用于生命科学研究、光谱学、中微子检测等。
在一些优选的实施例和实施方案中，可采用包括氧化石墨烯膜的一个或多个过滤模块。氧化石墨烯为石墨烯片材，所述石墨烯片材散布或覆盖有其他分子，诸如羟基、环氧基等。氧化石墨烯可例如通过如下方式制备：将石墨氧化以使碳层上散布氧分子，然后将该组合物还原以使碳层分离成单独的层。
已发现某些氧化石墨烯膜不能被除水之外的液体、蒸气和气体渗透。例如，水渗透穿过氧化石墨烯膜的速度比氦气要快十个数量级。在不受理论限制的情况下，据认为该行为可归因于单层水穿过二维毛细管的几乎无摩擦的流动，所述二维毛细管由紧密间隔的氧化石墨烯膜形成。其他分子的渗透可被填满毛细管的水阻挡。与疏水石墨烯表面相比，氧化石墨烯中的这些亲水基团允许水分子具有更大数量的氢键键合构型，从而增加水通量。
考虑到二维氧化石墨烯毛细管之间的距离接近分子尺寸，轻水与重水和超重水相比，穿过氧化石墨烯膜的渗透行为可存在显著差异。这些差异可归因于这些物质的不同化学和物理特性。例如，扩散系数、分子尺寸(键长和键角)、分子质量、惯性矩、四极矩和/或粘度的差异可导致各种同位素形式的水之间的不同渗透行为。
在不受理论限制的情况下，据认为这些特性中的一者或多者可能是穿过氧化石墨烯膜时轻水比重水的渗透性更高以及相对于超重水而言轻水的渗透性甚至更高的原因。因此，可通过提供包括氧化石墨烯膜的一个或多个过滤单元或模块，来实现一种或多种这些同位素形式的水与一种或多种其他此类同位素形式的水的分离。
氧化石墨烯膜往往使得单层的轻水分子可在很少乃至没有摩擦的情况下沿着膜的表面滑动。当其他原子或分子试图以类似方式穿过氧化石墨烯膜时，它们往往会因该层轻水分子的存在而被阻挡。同样，在不受理论限制的情况下，据认为由于相对于轻水而言重水和超重水有着不同的物理和化学特性，因此重水和/或超重水可类似地因氧化石墨烯膜内轻水的存在而被阻碍。
在一些实施例和实施方案中，可通过经由一个或多个级联过滤单元或模块诸如回流级联进行处理，来实现这些同位素形式的水的增强分离。另外，一个或多个模块可被构造为分离气相或液相形式的轻水和重水。一些实施例可被构造为采用用氧化石墨烯膜过滤气相形式的重水和/或超重水的模块，以及在相同系统中过滤液相形式的重水和/或超重水的其他模块。
在某些优选的实施例和实施方案中，可添加热量以使水转化为气相，并且该水蒸气可被输送通过过滤系统(如下所述)，以便从轻水蒸气分离/过滤重水和/或超重水。例如，在一些实施例和实施方案中，可使用热预处理步骤/模块来蒸发液态水。在一些此类实施例和实施方案中，常规蒸发器可用于此目的。然而，在其他实施例和实施方案中，可通过实施机械蒸气再压缩(MVR)来改善该过程的热效率。
在一些此类实施例和实施方案中，可将来自一个或多个分离步骤的气态流出物引导到鼓风机/压缩器，这可增加蒸气的压力，从而增加蒸气的冷凝温度。然后可将蒸气引导到热交换器以将蒸发的显热和潜热提供给液态进料。MVR蒸发的使用也可充当对气相分离过程的预处理，因为其可去除可不利地影响分离过程的污染物。MVR还可用作热高效预处理步骤以将洁净蒸馏物提供给液相分离过程。
现在将结合附图提供根据本公开内容的方法和系统的实施例的某些实例的进一步细节。图1示出了用于将一种或多种同位素形式的水与一种或多种其他同位素形式的水分离的系统100的实施例。系统100包括级联过滤系统，其包括四个过滤模块—过滤模块110、120、130和140。每一个过滤模块包括至少一个氧化石墨烯膜，即，过滤模块110包括氧化石墨烯膜112，过滤模块120包括氧化石墨烯膜122，过滤模块130包括氧化石墨烯膜132，并且过滤模块140包括氧化石墨烯膜142。
当然，本领域普通技术人员应当理解，每一个模块可包括多个氧化石墨烯膜。另外，其他膜和/或过滤技术可结合到模块110-140中的一者或多者中，和/或待进给通过模块110-140的水可在进给到级联过滤系统100中之前或之后，输送通过其他过滤器、过滤模块等等。另外，可根据需要在替代实施例中使用任何数量的模块。在一些实施例中，例如，可使用单个过滤模块，其可在一些实施例中包括单个氧化石墨烯膜。
本文所示和所述的模块中的一者或多者可在一些实施例中包括氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜包括氧化石墨烯的多个片材。如果需要，此类片材可层叠在一起以形成单个膜。例如，在一些实施例中，可使用氧化石墨烯层合物，其可形成为氧化石墨烯的微米级微晶的集合，所述氧化石墨烯的微米级微晶形成构成膜的层状联锁结构。
在一些实施例中，一个或多个此类膜可具有约0.1微米至约10微米之间的厚度。在一些此类实施例中，一个或多个此类膜可具有约0.2至约6微米之间的厚度。在一些此类实施例中，一个或多个此类膜可具有约0.3至约1微米之间的厚度。在一些此类实施例中，一个或多个此类膜可具有约0.5微米的厚度。
在包含层状氧化石墨烯片材诸如氧化石墨烯层合膜的一些实施例中，这些片材可层合成与每个相邻片材相隔约0.5纳米至约2纳米的距离。在一些此类实施例中，这些片材可层合成与每个相邻片材相隔约1纳米的距离。在一些实施例中，这些片材可层合成与每个相邻片材相隔至少约0.6纳米的距离。
然而，已表明，湿度和/或水分压可在改变某些层状氧化石墨烯膜的层间间距方面发挥作用。因此，一些实施例可被构造为保持系统内或系统的至少一个过滤模块内的具体湿度和/或水分压。
例如，一些实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约10毫巴的水分压。一些此类实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约15毫巴的水分压。
另外，一些实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约20％的相对湿度。一些此类实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约30％的相对湿度。一些此类实施例可被构造为具有一个或多个模块，所述一个或多个模块被构造为保持模块的过滤部分内至少约50％的相对湿度。然而，可以设想其他实施例，其中可能有利的是保持较低湿度，例如小于约50％或小于约30％的湿度，以便减小片材之间的相对间距。虽然此类氧化石墨烯膜可能不允许轻水那么容易地输送通过膜，但它们可使重水和/或超重水更难以输送通过膜，从而提高过滤的效力。
在一些实施例中，相对湿度和/或水分压可在系统内变化，以利用与有差别的湿度和/或水分压相关的重水渗透差异。多层状氧化石墨烯膜中膜的厚度和/或片材之间的间距也可出于类似原因而在相同过滤系统中的各模块之间变化。例如，重水过滤系统中的一个或多个过滤模块可被构造为具有氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜具有更具体地被配置为选择性地过滤超重水的某些特性或参数，诸如厚度、层间间距、湿度等，并且一个或多个其他过滤模块可被构造为具有氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜具有被更好配置为选择性地过滤重水的某些特性或参数。
可通过获得分散于(轻)水中的氧化石墨，来制备本文所公开的氧化石墨烯层合物或膜中的一者或多者。此类氧化石墨可通过例如超声处理而分散于水中，以便形成氧化石墨烯微晶的稳定悬浮液。然后可通过例如喷涂和/或旋涂用该悬浮液制备层合物。在此类方法的一些实施方案中，可将物质施加到基板上，诸如将二氧化硅、玻璃、氮化硅沉积在硅晶片或塑料上。
本文所示和所述的模块中的一者或多者可在一些实施例中包括多个氧化石墨烯膜。此类膜可以一定方式堆叠或布置在一起以根据水的各种同位素形式更有效地过滤水。
作为另外一种选择或除此之外，一个或多个氧化石墨烯膜可被构造成管并且在错流过滤构型中使用。其他错流过滤模块、装置或系统也可包括在系统中，以便例如允许其他物质的有效过滤。也可根据工业和/或应用的需要将其他水处理过程结合到系统中。
返回到图1中所示的具体实施例，可例如将流，诸如来自核电站的水的废物流，进给到氧化石墨烯过滤系统100中的过滤模块110处并输送通过氧化石墨烯膜112。在一些实施例中，可首先通过加热液态水，将液流转化为气流，再将气流输送通过一个或多个此类过滤模块。
然后将应包含较低浓度的重水和/或超重水的渗透物输送到包括第二氧化石墨烯膜122的第二过滤模块120。同样，将渗透物向前输送到包括第三氧化石墨烯膜132的第三过滤模块130，之后将所得的渗透物向前输送到包括另一个氧化石墨烯膜142的另一个第四过滤模块140。当然，在替代实施例中可使用更少或更大数量的模块。
然后可将包含轻水或至少减小浓度的重水和/或超重水的最终渗透物释放到环境中，如图1中的“排出轻水”标记所指示。当然，可视需要替代地将最终渗透物贮存以便再使用，进给到二次过滤和/或处理系统中，或以其他方式引导。
可将可包含较高浓度的重水和/或超重水的来自模块110-140每一者的渗余物引导到系统100之外，如图1中的“排出重水”标记所指示。可将该渗余物贮存以进行处置，引导到其他处理模块，或贮存以用于其他用途，诸如用于转售。
一些实施例可被构造为使渗余物和渗透物中的一者或两者在回流级联过滤系统中回流。例如，图2中所示的过滤系统200包括回流级联系统。回流级联系统200包括具有氧化石墨烯膜212的第一过滤模块210以及也具有氧化石墨烯膜222的第二过滤模块220。
如图2的示意图中所示，可例如将流，诸如来自核电站的水的废物流，进给到氧化石墨烯过滤系统200中的过滤模块210处并输送通过氧化石墨烯膜212。可将应包含较低浓度的重水和/或超重水的来自模块210的渗透物进给到过滤模块220，并穿过氧化石墨烯膜222。可将可包含较高浓度的重水和/或超重水的来自模块210的渗余物引导到系统200之外，如图2中的“排出重水”标记所指示。可将来自模块220的渗余物引导到过滤模块210，并且再次穿过氧化石墨烯膜212。
可将包含轻水或至少减小浓度的重水和/或超重水的来自模块220的渗透物释放到环境中，如图2中的“排出轻水”标记所指示。当然，可视需要替代地将该渗透物贮存以便再使用，进给到二次过滤和/或处理系统中，或以其他方式引导。如上文所提及，可在替代实施例中使用更少或更大数量的模块，并且对于本领域的普通技术人员而言在受益于本公开之后此类模块的替代构型可显而易见。
使用氧化石墨烯膜的过滤系统的又一个例子在图3中以300示出。图3中所示的过滤系统300也包括回流级联系统。回流级联系统300包括具有氧化石墨烯膜312的第一过滤模块310、具有氧化石墨烯膜322的第二过滤模块320、具有氧化石墨烯膜332的第三过滤模块330以及具有氧化石墨烯膜342的第四过滤模块340。
如图3的示意图中所示，可例如将流，诸如来自核电站的水的废物流，进给到氧化石墨烯过滤系统300中的过滤模块330处并输送通过氧化石墨烯膜332。可将可包含较高浓度的重水和/或超重水的来自模块330的渗余物引导到相邻过滤模块340，并穿过氧化石墨烯膜342。可将来自模块340的渗余物引导到系统300之外，如图3中的“排出重水”标记所指示。
可将应包含较低浓度的重水和/或超重水的来自模块340的渗透物往回进给到过滤模块330，并再次穿过氧化石墨烯膜332。相似地，可将来自模块330的渗透物进给到过滤模块320，并穿过氧化石墨烯膜322。可将可包含较高浓度的重水和/或超重水的来自模块320的渗余物引导到邻近供料管线的相邻过滤模块330，并穿过氧化石墨烯膜332。同样，可将来自模块320的渗透物进给到过滤模块310，并穿过氧化石墨烯膜312。
可将可包含较高浓度的重水和/或超重水的来自模块310的渗余物引导到相邻过滤模块320，并穿过氧化石墨烯膜322。可将包含轻水或至少减小浓度的重水和/或超重水的来自模块310的渗透物释放到环境中，如图3中的“排出轻水”标记所指示。当然，可视需要替代地将该渗透物贮存以便再使用，进给到二次过滤和/或处理系统中，或以其他方式引导。如也在上文提及，可在替代实施例中使用更少或更大数量的模块，并且对于本领域的普通技术人员而言在受益于本公开之后此类模块的替代构型可显而易见。
本领域技术人员应当理解，在不脱离本文提出的基本原理的情况下，可对上述实施例的细节作出修改。此外，可以期望各种实施例或其特征的任何合适的组合。
在整篇说明书中，对“一个实施例/实施方案”、“实施例/实施方案”或“所述实施例/实施方案”的任何引用皆意指结合所述实施例/实施方案描述的特定特征、结构、或特性包括在至少一个实施例/实施方案中。因此，如整篇说明书所叙述的引用短语或其变型形式未必全部涉及相同实施例/实施方案。
类似地，应当理解，出于精简本公开的目的，在对实施例的以上描述中，各种特征有时在单个实施例、附图或其描述中被组合在一起。然而，此公开方法不应解释为反映任何权利要求需要比所述权利要求中明确叙述的特征更多的特征的意图。相反，创造性方面在于少于任何单个前述公开的实施例的所有特征的组合。因此，本公开应被认为是说明性的而非限制性意义的，且所有此类修改均旨在包括在其范围内。
同样，上文结合各种实施例对益处、其它优点以及问题解决方案进行了描述。然而，益处、优点、问题解决方案以及可导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何元素，不应被理解为是决定性的、必需的或必要的特征或元素。
还应了解，本文中描述的方法步骤和/或动作可彼此交换。换句话说，除非实施例的正确操作明确要求具体顺序的步骤或动作，否则可修改具体步骤和/或动作的顺序和/或使用。另外，应了解，此类方法的其它实施方案不一定需要包括所叙述步骤中的每一个，且还应了解，来自本文中公开的某些实施方案的某些步骤可与其它实施方案交换，如所属领域一般技术人员将明白。
对本领域的技术人员而言显而易见的是，在不脱离本文阐述的基本原理的情况下，可对上述实施例的细节做出修改。本发明的范围应因此只由以下权利要求书确定。

Claims (21)

1.一种用于根据水的同位素形式从核电站过滤水的方法，所述方法包括如下步骤：
从核电站获得液态水的废物流，其中所述废物流包含至少两种不同同位素形式的水；
加热所述液态水的废物流以形成气体，所述气体包含至少两种不同同位素形式的水；
将所述气体输送到过滤模块中，其中所述过滤模块包括氧化石墨烯膜；
将所述气体的至少一部分引导到所述氧化石墨烯膜中；以及
使用所述氧化石墨烯膜将所述气体分离成渗透物和渗余物，其中所述渗透物包含相对于所述渗余物而言增大浓度的轻水。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化石墨烯膜包括多个氧化石墨烯片材。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个氧化石墨烯片材的每一者与相邻氧化石墨烯片材相隔约0.5纳米至约2纳米之间的距离。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化石墨烯膜具有约0.1微米至约10微米之间的厚度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述氧化石墨烯膜具有约0.2至约6微米之间的厚度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述氧化石墨烯膜具有约0.3至约1微米之间的厚度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述氧化石墨烯膜具有约0.5微米的厚度。
8.一种用于根据水的同位素形式来过滤水的方法，所述方法包括如下步骤：
将包含至少两种不同同位素形式的水的流引导到过滤模块中，其中所述过滤模块包括氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜包括多个氧化石墨烯片材；
将所述流的至少一部分输送通过所述氧化石墨烯膜；以及
将所述流分离成渗透物和渗余物，其中所述渗透物包含相对于所述渗余物而言增大浓度的轻水。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述流包括来自核电站的水的废物流。
10.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
将所述渗透物引导到第二过滤模块中，其中所述第二过滤模块包括氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜包括多个氧化石墨烯片材；
将所述渗透物的至少一部分输送通过所述第二过滤模块的所述氧化石墨烯膜；以及
将所述渗透物分离成次级渗透物和次级渗余物，其中所述次级渗透物包含相对于所述次级渗余物而言增大浓度的轻水。
11.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
将所述次级渗余物引导到所述过滤模块中；以及
将所述次级渗余物的至少一部分输送通过所述过滤模块的所述氧化石墨烯膜。
12.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括加热包含至少两种不同同位素形式的水的液态水以形成气体，其中所述流包含所述气体，使得水蒸气被输送通过所述氧化石墨烯膜。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述加热液态水的步骤包括使用机械蒸气再压缩过程。
14.一种核电站过滤系统，所述核电站过滤系统包括：
进口，所述进口与来自核电站的水的废物流耦合，其中所述水的废物流包含至少两种不同同位素形式的水，并且其中所述水的废物流包含第一浓度的重水与超重水中的至少一者；
多个过滤模块，
其中所述多个过滤模块中的至少一者与所述进口耦合，
其中所述多个过滤模块中的至少一者包括至少一个氧化石墨烯膜，
其中所述氧化石墨烯膜中的至少一者包括多个氧化石墨烯片材，所述多个氧化石墨烯片材一起耦合成层状联锁结构，并且
其中所述多个过滤模块中的至少一者被构造为将所述废物流分离成渗透物和渗余物，其中所述渗透物包含相对于渗余物而言增大浓度的轻水；以及
出口，所述出口与所述多个过滤模块中的至少一者耦合，其中所述出口被构造为输送包含第二浓度的重水与超重水中的至少一者的水，并且其中所述第二浓度低于所述第一浓度。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第二浓度至少基本上为零。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述多个过滤模块构成回流级联过滤系统。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述多个过滤模块中的每一者包括至少一个氧化石墨烯膜，并且其中所述氧化石墨烯膜中的每一者包括多个氧化石墨烯片材，所述多个氧化石墨烯片材一起耦合成层状联锁结构。
18.根据权利要求14所述的系统，所述系统还包括热预处理模块，所述热预处理模块被构造为从所述水的废物流接收液态水并将所述液态水转化为气态水，其中所述热预处理模块与所述多个过滤模块中的至少一者耦合。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述热预处理模块包括机械蒸气再压缩模块。
20.根据权利要求14所述的系统，所述系统还包括压力模块，所述压力模块被构造为保持所述多个过滤模块中至少一者的至少一部分内至少约10毫巴的水分压。
21.根据权利要求14所述的系统，所述系统还包括第二出口，所述第二出口与所述多个过滤模块中的至少一者耦合，其中所述第二出口被构造为输送包含第三浓度的重水与超重水中的至少一者的水，并且其中所述第三浓度高于所述第一浓度。
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