Vanadium adalah logam langka yang tahan api dan mudah menguap berwarna abu-abu keperakan. Ia memiliki kombinasi kekerasan dan kelembutan, keadaan valensi yang hidup dan bervariasi, dan kilau warna-warni. Vanadium dengan kemurnian tinggi memiliki tekstur yang keras, tidak bersifat magnetis, keuletan yang baik, ketahanan oksidasi rendah, dan bobot yang ringan. Ketika ditambahkan ke logam konvensional untuk membentuk paduan, hal ini dapat meningkatkan plastisitas, keuletan, fleksibilitas, dan kekuatan paduan secara signifikan.
Bidang aplikasi yang luas
Vanadium memiliki aplikasi penting dalam industri baja, industri metalurgi dan kimia, dirgantara, industri pertahanan dan militer nasional, obat-obatan, pigmen, kaca, baterai energi baru, dan bidang lainnya. Ia dikenal sebagai "vitamin logam", "roti kimia", dan "monosodium glutamat dalam industri modern".
（1）
Vanadium mengandung batang baja
Vanadium is mainly used as an alloy additive in the steel industry, and about 90% of vanadium in China is used in the steel industry. Using vanadium addition to microalloy steel can greatly improve the strength, toughness, high temperature resistance, and corrosion resistance of products, as well as save steel consumption. Compared to ordinary hot rolled steel bars, vanadium containing steel bars have unique advantages in continuous casting, processing, and other aspects, with excellent seismic performance, high yield strength ratio, small yield strength fluctuation range, high elongation, good bending performance, low aging, and easy welding. Using (vanadium) microalloying to increase the strength of steel bars from 400 MPa to 500 MPa can theoretically save 15% to 20% of steel consumption. Based on the average energy consumption and carbon emissions data of China's steel industry, it is estimated that on average, more than 110 million tons of standard coal consumption can be saved and more than 370 million tons of carbon dioxide emissions can be reduced each year, which has a positive effect on promoting the carbon peak and carbon reduction in the steel industry.
Gambar 5 Batangan Baja Mengandung Vanadium di Pangang (sumber: China Iron and Steel News)
(2) Baterai vanadium
Baterai vanadium (semua baterai aliran redoks vanadium) adalah perangkat untuk penyimpanan dan keluaran energi yang efisien. Sistem penyimpanan energi baterai vanadium terdiri dari elektroda positif dan negatif, tangki penyimpanan elektrolit, modul membran penukar ion, dan komponen lainnya. Arus mengalir melalui perubahan valensi ion vanadium dalam elektrolit, dan jumlah siklusnya bisa mencapai 5.000 hingga 10.000, lebih dari 10 kali lipat baterai litium. Baterai vanadium telah menjadi salah satu teknologi pilihan di bidang penyimpanan energi terbarukan, pencukuran puncak jaringan, dan catu daya siaga karena daya, kapasitas, efisiensi, umur panjang, respons cepat, pengisian daya instan, keamanan tinggi, dan biaya rendah. . Mereka dikenal sebagai "bank daya".
Diagram ikhtisar semua baterai aliran cairan vanadium (sumber: Baidu Encyclopedia)
(3) Medis
Vanadium sangat penting dalam metabolisme manusia dan perkembangan gigi. Studi awal tentang senyawa vanadium di dalam dan luar negeri berfokus pada efek hipoglikemik. Vanadium dapat meningkatkan metabolisme gula dan meningkatkan pertumbuhan sel darah merah. Ini memiliki efek seperti insulin yang baik, dapat melindungi sel-sel pulau, dan mengurangi kadar gula darah dalam tubuh.
Penyebab diabetes (Chatterjee et al., 2013)
(4) Isotop vanadium
Terdapat 31 isotop vanadium, dimana isotop stabil alami adalah 50V (0,25%) dan 51V (99,75%), dan sisanya disintesis secara buatan. Sebagai unsur multivalen, isotop vanadium memiliki fraksinasi yang signifikan di alam dan dapat digunakan sebagai pelacak geokimia untuk mengontrol keadaan fisikokimia proses geologi suhu tinggi dan suhu rendah, terutama perubahan kondisi redoks. Saat ini, Laboratorium Isotop Stabil Logam Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok dapat melakukan pengujian komposisi isotop vanadium yang sangat akurat.
① Isotop vanadium dapat mengidentifikasi proses geologi yang dikendalikan oleh magnetit
Magnetit adalah mineral gelap yang banyak terdapat dalam proses geologi, dan vanadium sangat kompatibel dengan magnetit. Selama evolusi magma, kristalisasi magnetit secara istimewa memperkaya 50V, menghasilkan komposisi isotop V yang lebih berat dari sisa lelehan.
Keadaan keberadaan V3+ dalam struktur magnetit
(Sumber: Sorotan Penelitian Perangkat Radiasi Sinkronisasi Beijing)
Penentuan Eksperimental Koefisien Fraksinasi Isotop V antara Lelehan Magnetit dan Granit Berair (Sossi et al., 2018)
V Komposisi Isotop Lava dari Hekla, Islandia, dan Anatahan, Mariana (Prytulak et al., 2018)
V Komposisi Isotop Danau Magmatik Kilawa (Ding et al., 2020)
② Isotop vanadium dapat membatasi proses diferensiasi inti mantel
Vanadium has+2 and+3 valences in the oxygen fugacity range of the formation of the earth's core; Vanadium exists in metals with a valence of 0, so vanadium isotope fractionation may occur during core formation. The corresponding fractionation coefficient can be obtained by measuring the vanadium isotope composition of the two phases in the metal and silicate melt equilibrium experiment.
Model Laut Magmatik Dalam (Wood dkk., 2006)
Struktur Sampel Eksperimental Suhu Tinggi dan Tekanan Tinggi (Zhang et al., dalam persiapan)
③ Isotop vanadium memiliki potensi besar untuk penelusuran paleoenvironmental
Sebagai elemen sensitif terhadap redoks, konsentrasi vanadium dalam sedimen bervariasi sesuai dengan keadaan redoks air laut. Berdasarkan studi isotop vanadium di berbagai jenis sedimen samudera modern, ditemukan bahwa fraksinasi isotop yang menyertai pengendapan vanadium sangat berbeda di lingkungan oksidasi yang berbeda. Oleh karena itu, komposisi isotop V dapat melacak tingkat oksidasi dan reduksi di badan air lokal, bahkan air laut global.
Elemen Jejak Sensitif Redoks dan Evolusi Redoks Atmosfer Laut (Sahoo dkk., 2012)
Komposisi Isotop Vanadium Sedimen Laut (Wu et al., 2020)
Memahami sumber daya vanadium
Vanadium merupakan sumber daya strategis yang penting di Tiongkok, dengan cadangannya saat ini menduduki peringkat pertama di dunia
Menurut statistik Survei Geologi Amerika Serikat (USGS), total cadangan logam bijih vanadium yang terbukti secara global adalah 22 juta ton, terutama tersebar di Tiongkok, Rusia, Australia, Afrika Selatan, Brasil, Amerika Serikat, dan tempat lain. Total cadangan logam bijih vanadium di Tiongkok sekitar 9,5 juta ton, menempati peringkat pertama di dunia.
Distribusi cadangan vanadium di negara-negara besar di dunia pada tahun 2020
(Sumber data: Ringkasan Komoditas Mineral Survei Geologi A.S., 2021)
Distribusi sumber daya vanadium di Tiongkok terutama berasal dari magnetit vanadium titanium dan sumber daya bijih vanadium sedimen
(1) Magnetit titanium vanadium
Karena jari-jari ion V3+(0,061 nm) mirip dengan Fe3+(0,063 nm), vanadium banyak terdapat dalam mineral bantalan besi dalam bentuk isomorfisme di alam. Saat ini, sumber daya vanadium yang terbukti di dunia sebagian besar berasal dari magnetit vanadium titanium. Magnetit titanium vanadium di Cina terutama didistribusikan di Panxi, Sichuan dan Chengde, Hebei, dengan deposit skala besar. Banyak deposit atau kejadian magnetit titanium vanadium yang sangat miskin juga telah ditemukan di Zhangjiakou, Chifeng, Mongolia Dalam, dan Jianping, Provinsi Liaoning, dengan potensi pengembangan sumber daya tertentu.
Panzhihua Vanadium Titanium Magnetite (Jaringan Saluran Bijih Tuyuan)
(2) Sumber daya mineral vanadium sedimen
Vanadium tingkat rendah yang mengandung sumber daya unik di Tiongkok. Endapan vanadium terdapat pada serpih karbon hitam yang kaya bahan organik (TOC>5%) dan sulfur tereduksi (TS>1%), dan terbentuk di lingkungan anoksik laut di dalam dan di tepi benua melalui mineralisasi sedimen. Mereka sering diproduksi bersama dengan unsur-unsur seperti Ni, Mo, U, P, S, Au, Ag, Ba, dan PGE. Tiongkok kaya akan sumber daya bijih vanadium sedimen, terutama tersebar di 17 provinsi dan wilayah seperti Shaanxi, Hunan, Hubei, dan Guizhou, membentuk tiga sabuk metalogenik bijih vanadium sedimen utama di tepi utara kraton Tarim, tepi utara Yangtze kraton, dan tepi tenggara kraton Yangtze. Zaman metalogenik utama adalah Kambrium. Skala depositnya sebagian besar kecil dan menengah, dengan sedikit tambang vanadium besar. Kadar bijihnya relatif rendah, kondisi keberadaan vanadium relatif kompleks, biaya pemanfaatan dan peleburan tinggi, dan keseluruhan sumber daya bersifat umum.
Karakteristik tubuh bijih vanadium Qianjiaping di Pegunungan Qinling selatan. A - bijih vanadium berpita; Bijih berpita B dengan lensa batuan berlempung; C - nodul fosfor yang terdapat di lapisan bijih vanadium; D - Zona kontak antara strip ore pada bagian litologi pertama dan batugamping berlempung pada bagian litologi kedua (Xu Lingang et al., 2022)
Menurut statistik Komite Teknis Vanadium Internasional, konsumsi vanadium global pada tahun 2020 adalah setara dengan 103.000 ton logam vanadium. Pada tingkat konsumsi saat ini, jumlah logam vanadium yang dapat dieksploitasi secara ekonomis di dunia saat ini hanya dapat digunakan manusia selama 200 tahun. Korelasi baja vanadium dan perkiraan permintaan sektor berdasarkan model ARIMA menunjukkan bahwa permintaan vanadium Tiongkok akan mencapai puncaknya pada tahun 2026, ketika permintaan mencapai 116.200 ton, dan kemudian mempertahankan volatilitas tinggi sebesar 107.900~19.000 ton.
Grafik Prakiraan Tren Permintaan Vanadium Tiongkok dari tahun 2020 hingga 2035
(Sumber: Wu Qing dkk., 2021)
Ekstraksi dan Pemulihan Vanadium
Metode ekstraksi vanadium terutama mencakup ekstraksi vanadium basah dan ekstraksi vanadium api (oksidasi). Ekstraksi vanadium basah adalah ekstraksi langsung vanadium dari bijih magnetit bantalan titanium yang mengandung vanadium. Ekstraksi vanadium dengan pirometalurgi adalah proses memperoleh vanadium yang mengandung besi cair melalui pirometalurgi, kemudian memperoleh terak vanadium melalui oksidasi. Setelah pengayaan, menjadi bahan baku pembuatan paduan ferrovanadium. Proses ekstraksi vanadium tradisional memiliki kekurangan seperti biaya tinggi dan polusi sekunder. Di masa depan, kita harus secara aktif mendorong inovasi teknologi dan berkembang menuju tingkat pemulihan yang berbiaya rendah, ramah lingkungan, dan tinggi.
Selain sumber daya bijih vanadium, limbah yang mengandung vanadium juga mengandung berbagai logam yang memiliki nilai ekonomi penting. Ada berbagai jenis limbah yang mengandung vanadium, antara lain terak baja yang mengandung vanadium, tailing ekstraksi vanadium, katalis yang dinonaktifkan, dan elektrolit kegagalan baterai vanadium. Daur ulang vanadium yang mengandung limbah sebagai sumber daya sekunder tidak hanya membawa manfaat ekonomi dan lingkungan yang luar biasa, namun juga memiliki arti penting bagi daur ulang sumber daya.
Proses ekstraksi vanadium dari terak baja dan tailing
