Поговорим об одном из самых интересных, универсальных и востребованных в современном мире металлов. Ванадий: свойства, спрос, добыча, цена.
А также причём здесь мухоморы, почему у асцидий и трепангов жёлтая кровь, где искать самородный ванадий, зачем он нужен бодибилдерам и как он помогает обнаружить жизнь на Марсе.
Кроме того, расскажем для реализации какой перспективной технологии у России есть все необходимые ресурсы.
Свойства
Ванадий (V) – металл стального цвета, который характеризуется прочностью, ковкостью, пластичностью, тугоплавкостью (1920°C), парамагнетизмом и устойчивостью к коррозии. Не подвергается воздействию солёной воды, а также щелочей, соляной и серной кислот.
Ванадий и его соединения токсичны. Причём токсичность возрастает со степенью окисления.
Применение
Ещё в конце XIX века было открыто, что добавление ванадия в сталь снижает её вес, увеличивает прочность на растяжение и повышает устойчивость к коррозии. Это сразу нашло своё применение в корабельной броне.
Первопроходцем коммерческого использования сплава стали и ванадия (феррованадия) стал Генри Форд, который применил его в шасси Ford Model T – первого автомобиля в истории, выпускавшегося миллионными партиями.
До настоящего времени машиностроители используют феррованадий (с содержанием V в количестве 0,05-6%) для изготовления коленчатых валов, осей, пружин, шестерен, поршней, специальных труб, брони и режущих инструментов.
Менее 1% ванадия и столько же хрома позволяют резко увеличить ударопрочность и виброустойчивость стали. Таким образом, ванадий с полным правом можно отнести к «металлическим витаминам» - легирующим добавкам с наибольшей экономической эффективностью.
Многие развитые страны в последние годы ввели жёсткие требования к минимальному содержанию ванадия в строительных металлоконструкциях в зонах сейсмической активности, что также увеличивает спрос на этот элемент.
В ведущих экономиках на феррованадий приходится более 90% потребления V.
Ванадиевая фольга используется для соединения слоёв титана и стали. По соотношению прочности к весу сплавы титана и ванадия не имеют себе равных среди искусственных материалов, что находит широкое применение в аэрокосмической отрасли. Замены ванадию в этом качестве попросту нет.
Пятиоксись ванадия – вторая по распространённости (после феррованадия) форма. Она в первую очередь является протравой – веществом, которое фиксирует цвет на ткани. Также используется в качестве катализатора при производстве серной кислоты (одного из главных продуктов мирового химпрома). Этот же оксид, в соединении с галлием, служит основой для изготовления сверхпроводящих магнитов.
Сульфат ванадила является очень популярной пищевой добавкой в мире бодибилдинга. Правда, не везде она разрешена.
Наконец, способность ванадия усиливать действие инсулина (гормона снижающего уровень сахара в крови) открывает для него перспективы в качестве средства для лечения сахарного диабета. Исследования в этой области продолжаются.
Всё вышеперечисленное делает его стратегически важным металлом, характеризующимся постоянным ростом спроса. Увеличение потребления ванадия в 2022 году в США и Китае составило 10-12% за год.
Добыча
Ванадий входит в топ-20 самых распространённых элементов в земной коре. Почти всегда содержится в связанном виде (в нескольких десятках минералов). Самородок ванадия был найден всего один раз (в трещине действующего вулкана Фуэго в Мексике).
Всего в 2022 году было извлечено более 100 тысяч тонн ванадия, причём вся добыча осуществлялась четырьмя странами.
Наибольшие подтверждённые запасы находятся в Китае (9,5 млн. тонн), Австралии (7,4 млн. тонн), России (5 млн. тонн) и ЮАР (3,5 млн. тонн).
Но поскольку он залегает в месторождениях с другими минералами (железная руда, фосфаты, титан, уран, бокситы, уголь, нефть, горючие сланцы и битуминозные пески), оценка резервов сильно затруднена (считается что их в несколько раз больше).
Как правило, основным промышленным источником ванадия являются шлак сталеплавильного производства, отходы переработки тяжёлой нефти и урановые руды.
Природными биоконцентраторами ванадия являются асцидии (содержание ванадия в теле животного в 10 миллионов раз превышает концентрацию в окружающей воде), трепанги, некоторые виды водорослей и обычные красные мухоморы.
Жёлтая кровь некоторых асцидий и трепангов как раз и объясняется наличием большого количества ванадия. Содержание V в мухоморах составляет 500 мг на 1 кг сухого вещества.
Есть предположение, что скопления ванадия в некоторых местах на Марсе является продуктом биологической активности.
Цена
Основной коммерческой формой рассматриваемого металла является пентаоскид ванадия (все цены ниже относятся к этой форме).
Цена на первую декаду марта 2023 года составляет $10,20 за 1 фунт (или $22,5 за 1 кг), что примерно соответствует цене второй половины февраля 2022 года ($10,60 за 1 фунт).
В прошлом году, цена поднималась до $12,40 в марте, затем плавно снижалась до минимума в $7,20 (сентябрь 2022 г.).
Сейчас происходит постепенный рост цены, что связывают восстановлением китайской и индийской экономик от последствий пандемии, а также с неуверенностью Запада в бесперебойности поставок из России (например, РФ обеспечивает 10% потребности США в феррованадии).
Для России же крупнейшим рынком пентаоксида ванадия является Чехия (откуда затем растекается по всему миру), феррованадия - Нидерланды. Западная санкционная политика на эти продукты повлияла мало.
VRFB
Ванадиевый окислительно-восстановительный проточный аккумулятор (Vanadium Redox Flow Battery или VRFB) эксплуатирует уникальные свойства оксидов ванадия.
До недавнего времени особой потребности в гигантских аккумуляторах не было, так как электросети, построенные на ископаемых видах топлива, не предполагали значительных перебоев энергии.
Всё изменилось с массовым внедрением ВИЭ, которые, с одной стороны, используют бесплатную энергию солнца и ветра, но с другой - их потребители страдают от постоянных перепадов электричества. К этому можно добавить присущее всем энергосистемам неравномерное потребление в течение суток.
Решением данных проблем являются VRFB, которые накапливают энергию в гигантских резервуарах с электролитом в периоды перепроизводства и отдают её во время пиковых нагрузок.
Преимуществами данной батареи являются: длительный срок службы (10-20 лет), низкий саморазряд (электролит хранится отдельно от электрода), мгновенный отклик, простота в обслуживании, возможность одновременного заряда и разряда, низкое выделение тепла, отсутствие воздействия на окружающую среду, неограниченные возможности расширения (за счёт увеличения танков).
Главным недостатком данных систем является сравнительно низкая удельная энергия на 1 кг (на 15% ниже свинцово-кислотных и в 5-6 раз ниже литий-ионных аккумуляторов). Впрочем, для стационарной установки вес не так важен как для переносных устройств.
Крупнейшая в мире VRFB была введена в эксплуатацию в городе Далянь (Китай) в октябре 2022 года. Мощность аккумулятора – 100 МВт (годовая выработка 400 МВт*час), что должно хватить на 200 тысяч человек. Проект предусматривает дальнейшее масштабирование (мощность и выработка могут быть удвоены).
Обязательным условием успешного внедрения данной технологии является получение чистого металлического ванадия в промышленных объёмах.
Россия, как один из крупнейших держателей резервов ванадия и обладающая развитой цветной металлургией, могла бы также осваивать этот рынок. Страны, которые дальше других ушли во внедрении ВИЭ, мы рассматривали здесь. Далеко не все из них являются недружественными.
Возможно, Вам также будет интересно:
Если узнали что-то новое, просьба оставить лайк. Подпишитесь на канал, и мы обещаем ещё много интересного.