《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Fit-for-purpose split-stream treatment of shale-gas flowback water by Ce(III)-assisted Fenton oxidation and nanofiltration
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•末端用途分配将纳滤（NF）限制在压裂液补充用水环节•Ce(III)辅助Fenton法使匹配终点时间缩短44.4%•量化了试剂引入的硫酸盐、污泥和浓缩液负荷•五轮72 h污染-清洗循环界定了NF的操作边界•处理水配制的压裂液性能与淡水对照组相当引言水力压裂返排水和采出水随地层
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末端用途分配将纳滤（NF）限制在压裂液补充用水环节
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Ce(III)辅助Fenton法使匹配终点时间缩短44.4%
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量化了试剂引入的硫酸盐、污泥和浓缩液负荷
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五轮72 h污染-清洗循环界定了NF的操作边界
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处理水配制的压裂液性能与淡水对照组相当
引言
水力压裂返排水和采出水随地层、井龄及采样时间的不同而强烈变化。处理方案包括：针对游离油和颗粒物的重力分离与过滤，针对胶体和乳液的混凝-絮凝，针对有机物的高级氧化或生物处理，针对选择性脱盐的压力驱动膜技术，以及针对高盐残余液的热工艺[1]、[2]、[3]、[4]、[6]、[7]、[8]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。仅盐度即可跨越数个数量级：长宁页岩气田的返排水和采出水总溶解固体（TDS）含量为13.1–53.5 g·L?1[53]，而本文研究的陕北三批次的计算TDS为2.18–3.12 g·L?1。返排水的组成也会随流回过程而变化，因此在某一盐度、固体负荷或有机组成下验证的技术不能假设可直接迁移至另一现场基质[5]、[9]、[10]。因此，合适的工艺链取决于原始基质、预期回用目标和残余物流的管理边界。
近期研究既展示了进展也揭示了尚存的空白。对真实页岩返排水的分子水平分析表明，体相有机指标（包括化学需氧量（COD））的大幅降低不一定意味着等比例矿化，因为氧化作用可将芳构体和高分子量组分转化为较小的含氧化合物[56]、[57]、[58]、[59]、[60]、[63]、[67]、[69]。长期研究也表明了操作边界的重要性：陶瓷膜处理经过254 d的跟踪以解析污染和清洗行为[16]，高盐压裂返排水的界面蒸发通量达到2.80 kg·m?2·h?1，30 d后仍保持初始性能的90.7%[36]。其他现场基质研究考察了预氧化/混凝、膜污染控制、工程规模处理、危害性组分及毒性[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]。这些研究提供了重要的单元过程证据，但针对不同的基质或末端处理目标；很少有研究在真实返排水中同时关联末端用途分配、匹配反应终点、试剂引入的离子负荷、膜阻力、残余去向以及最终回用功能。
在经典Fenton化学中，Fe2?活化H?O?形成高活性氧化物种，而Fe2?再生缓慢和非生产性自由基消耗会制约该过程[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[56]、[58]、[60]、[73]。我们假设添加可溶性Ce(III)可能会改变Fe氧化还原与氧化剂响应的耦合特征，但并未先验地假设特定的Ce3?/Ce??路径。相关的活性炭-CeO?-Fe?O?/过一硫酸盐研究提供了情境证据，表明Ce/Fe氧化还原活性材料可影响氧化剂活化[55]。由于催化剂相态、氧化剂和目标污染物与本文的可溶性Ce(III)-Fe-H?O?体系不同，这些观察结果不作为本文所提出机理的直接证据。在不同时间或终点进行的比较可能将较短的终点时间错误归类为催化或氧化剂效率的提高。因此，分级评估了匹配黏度终点、硫酸盐匹配和组分省略对照、残余H?O?、Fe(II)/Fe(总)以及5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物-羟基自由基（DMPO–OH）代理信号。
回注和压裂液补充用水施加了不同的约束条件。回注强调悬浮固体、油、腐蚀性、微生物活性、粒径和地层相容性，而补充用水还受益于对Ca2?、Mg2?、硫酸盐和碳酸盐体系物种的控制，因为这些组分可影响结垢、瓜尔胶水化和交联。聚合氯化铝（PAC）/聚丙烯酰胺（PAM）混凝-絮凝可减少颗粒物、油和综合色度，但水解、中和及固液分离也会引入溶解性离子和含金属污泥[34]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。相关的磁吸附-混凝研究支持了颗粒捕集和聚集的广泛重要性[54]，但并未直接界定本文条件下PAC的水解形态。膜研究确定模块放大、清洗、耐久性和基质特异性污染为关键边界[12]、[13]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。纳滤（NF）通过耦合的位阻和静电效应排斥多价离子，其强度随离子强度、膜电荷、浓差极化、有机污染和清洗而变化[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[61]、[62]、[64]、[78]、[79]、[80]。近期的页岩水工程研究进一步强调，现场基质变异性、残余管理以及末端用途验证是工艺选型的组成部分[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]。
本研究回答了四个相关联的问题：(i) 可溶性Ce(III)是否在不过度夸大H?O?归一化效率的情况下缩短了达到黏度终点所需的时间；(ii) 产生回注候选水时伴随多少试剂引入的离子负荷；(iii) 选择性NF是否在重复的72 h实验室循环中保持截留率和清洗可恢复性；以及(iv) 当透过液保持压裂液补充功能时，Ce、Fe、Al、污泥和浓缩液负荷分别位于何处。因此，创新点并非首次使用Ce(III)、PAC/PAM或NF的主张，而是在一个证据边界内整合末端用途分配、终点匹配对照、负荷传递核算、阻力跟踪、残余闭合、三个现场批次以及回用功能测试。
章节摘录
水样与总体实验设计
返排水采集自中国陕北的页岩气作业现场，作为三个独立的现场批次（B1–B3）。各批次的角色在测试前固定：B1用于支持单元过程筛选、节点式物料核算、膜操作和回用功能测试；B2和B3在未重新优化的情况下测试所选条件。工作流程包括原水表征和B1条件筛选；固定Ce(III)辅助Fenton处理；PAC/PAM
原水特征与单元操作任务分配
B1原水含3992.7 mg·L?1 COD、2490 mg·L?1悬浮物，黏度为18.1 mPa·s（表1），表明这是一种由残余聚合物、细颗粒和油维持的稳定分散体系，而非简单的盐水。高黏度增加了水力阻力，同时减少了氧化剂与溶解性有机物之间的接触、颗粒碰撞频率和絮体沉降速度。因此，直接投加混凝剂需要更高的药剂消耗才能克服
结论
(1) 实验室适用的工艺链从陕北三批返排水中产生了两个条件性回用节点：氧化-絮凝出水被筛选为回注候选，仅压裂液补充用水部分经过NF处理。当补充用水比例为f时，该分配可避免对1 ? f比例的水量进行高压处理，但该优势在f = 1时消失，且取决于地层特定鉴定。
(2) 在pH 3.00、0.3% (v/v) 30% H?O?条件下
资助
本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。
CRediT作者贡献声明
陈新建：撰写——初稿、方法学、调查、概念构思。高康义：可视化、形式分析、数据整理。程文：撰写——审阅与编辑、指导、方法学。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在稿件准备过程中，使用了ChatGPT（OpenAI，GPT-5.5 Thinking）辅助英语编辑、语法检查和格式改进。该工具未用于生成实验数据、进行数据分析或得出科学结论。所有AI辅助文本均由作者审阅、核实和修改，作者对提交的工作承担全部责任。
Xinjian Chen|Wen Cheng|Kangyi Gao
