Ванадий

Влияние добычи никеля на экологию

Несмотря на хороший экономический эффект, добыча минерала оказывает негативное воздействие на окружающую среду:

• образуется большое количество отходов в виде отработанных горных пород, остатков руд, производимых в процессе производства химических веществ.
• процесс производства существенным образом влияет на близлежащую флору и фауну, уничтожая ареалы обитания их представителей.
• наносится непоправимый вред сельскому хозяйству вследствие выведения из эксплуатации значительных площадей и загрязнения подземных вод.
• постоянно фиксируется рост числа заболеваний у местного населения, что прямым образом связано с горнодобывающей деятельностью.

Становится очевидным, что процесс добычи и производства никеля обязательным образом должен опираться на строгое соблюдение всех необходимых природоохранных мероприятий, иначе экологической катастрофы не избежать. 

Полезные ссылки

ГМК Норильский Никель

Норильский никель – крупнейший в мире производитель никеля и палладия, один из крупнейших производителей платины и меди.

Месторождение Норильск-IГМК Норильский Никель

Регион:

Красноярский край

Ископаемое:

Никель

Месторождение Норильск-IIГМК Норильский Никель

Регион:

Красноярский край

Ископаемое:

Никель, Платина

Октябрьское месторождение медно-никелевых рудГМК Норильский Никель

Регион:

Красноярский край

Ископаемое:

Медь, Никель

Талнахское месторождениеГМК Норильский Никель

Регион:

Красноярский край

Ископаемое:

Медь, Никель

Верхнекингашское месторождениеГМК Норильский Никель

Регион:

Красноярский край

Ископаемое:

Никель

Кингашское месторождениеГМК Норильский Никель

Регион:

Красноярский край

Ископаемое:

Медь, Никель

Ждановское месторождениеГМК Норильский Никель

Регион:

Мурманская область

Ископаемое:

Медь, Никель

Месторождение СемилеткаГМК Норильский Никель

Регион:

Мурманская область

Ископаемое:

Медь, Никель

Месторождение ЗаполярноеГМК Норильский Никель

Регион:

Мурманская область

Ископаемое:

Медь, Никель

Месторождение ВуручуайвенчГМК Норильский Никель

Регион:

Мурманская область

Ископаемое:

Медь, Никель

Буруктальское никелевое месторождение

Регион:

Оренбургская область

Ископаемое:

Никель

Еланское месторождениеУральская Горно-Металлургическая Компания

Регион:

Воронежская область

Ископаемое:

Никель

Елкинское месторождениеУральская Горно-Металлургическая Компания

Регион:

Воронежская область

Ископаемое:

Никель

Сахаринское месторождение

Регион:

Челябинская область

Ископаемое:

Кобальт, Никель

Серовское месторождение

Регион:

Свердловская область

Ископаемое:

Никель

Хову-Аксинское месторождение

Регион:

Республика Тыва

Ископаемое:

Никель

Шанучское месторождениеНаучно-производственная компания Геотехнология

Регион:

Камчатский край

Ископаемое:

Кобальт, Медь

Местоположение:

Быстринский район

Vale (company)

Vale S. A. — бразильская транснациональная корпорация, занимающаяся добычей металлов и один из крупнейших логистических операторов в Бразилии.

Glencore

Glencore plc — швейцарская многонациональная компания по торговле сырьевыми товарами и горнодобывающей промышленности со штаб-квартирой в Бааре, Швейцария.

BHP

BHP, ранее известная как BHP Billiton, является торговой организацией BHP Group Limited и BHP Group plc, англо-австралийской многонациональной горнодобывающей, металлургической и нефтяной компании с двойным листингом, штаб-квартира которой находится в Мельбурне, Виктория, Австралия.

Anglo American

Британская горнодобывающая группа компаний, основанная в Южной Африке. Компании принадлежит 85% алмазной монополии De Beers, также является крупнейшим поставщиком металлов платиновой группы. 

Сфера применения

Водородная энергетика

Водород в качестве топлива начинает играть всё большую роль в современной энергетической отрасли. Существует много способов его получения. Один из них – термохимическое разложение воды проводится при помощи катализатора, в качестве которого выступает хлорид ванадия. Технология, основанная на использовании тепла ядерных реакторов, была в своё время разработана крупнейшей американской компанией «Дженерал Моторс».

Производство серной кислоты

Более ста лет назад ванадий смог заменить платину при производстве серной кислоты. Его присутствие значительно ускоряет медленно текущую реакцию между сернистым ангидридом и кислородом, да и в количественном отношении ванадия требуется значительно меньше, чем драгоценного металла.

Автомобильная промышленность

Благодаря своим уникальным свойствам ванадий находит широкое применение в автомобилестроении

Важность этого элемента в данной отрасли подчёркивал ещё Генри Форд – знаменитый американский предприниматель

Дело в том, что даже десятые доли процента присутствия этого элемента в стали значительно увеличивают её прочность и упругость. А это, в свою очередь уменьшает вес готового автомобиля, увеличивает срок службы элементов его конструкции, сокращает расход топлива и позволяет сохранять долговечность покрышек и дорожного полотна.

Причиной такой экономии является использование ванадиевой стали для изготовления валов, осей, шестерён, рессор и моторов.

Металлургия

Львиную долю – свыше 90% производимого ванадия потребляет металлургия. Использование этого металла в качестве легирующего материала позволяет получать быстрорежущие, высокопрочные, конструкционные, инструментальные, нержавеющие марки сталей. Кроме того, с его помощью создаются титановые сплавы, обладающие повышенной прочностью. Не зря ванадий занимает лидирующие позиции среди элементов, используемых для легирования в чёрной и цветной металлургии.

Понятно, что столь ценные по своим качествам металлические сплавы находят широкое применение в машиностроении, производстве средств вооружения, на транспорте, в энергетике и космической отрасли.

Нефтедобыча

Помимо того, что ванадиевая сталь отлично зарекомендовала себя в качестве материала для строительства морских нефтяных платформ, сам металл очень часто присутствует в тяжёлых фракциях нефти. Кроме того, ванадий является катализатором ряда нефтеперерабатывающих процессов.

Методы добычи

Главной проблемой при добыче ванадия является то, что сам металл пребывает в земной коре только в рассеянном состоянии и собственных минералов не образует. Его присутствие ощущается в железных и титанованадиевых рудах, являющихся основными источниками промышленного получения минерала. Наиболее важными минералами в таком случае выступают ванадинит, патронит, титановые минералы, встречающиеся в биолитах, бокситах, битумных сланцах и ооливитовых рудах.

Йодидный

В основе метода, используемого для термической диссоциации йодида, с целью получения ванадия высокой степени чистоты, лежит:

• Первичное образование летучего соединения в одной из зон закрытой камеры при нагревании до +400-600C. Именно при таких условиях происходит химическая реакция соединения, в результате которой появляется иодид ванадия в газообразной форме.
• Вторичное разложение иодида с осаждением чистого металла на камерных поверхностях. Осуществляется данный процесс при температуре в +1300-1700C.

Кальциетермический

Процесс восстановления оксида ванадия в герметичной стальной бомбе, предварительно заключённой внутрь магнезитового тигля, носит название кальциетермического метода добычи. Так как в роли восстановителя выступает кальций. Реакция связана со значительным выделением тепла, вполне достаточного для плавки ванадия, чистота которого по окончании процесса достигает 99,5%.

Тем не менее, способ не получил широкого распространения вследствие необходимости тщательной предварительной подготовки исходных материалов: кальция в виде металлической стружки и пятиокиси ванадия.

Алюмотермический

Алюмотермия, основы которой были заложены в середине XIX века выдающимся русским химиком Н. Н. Бекетовым, представляет собой способ восстановления оксидов металлов (в нашем случае ванадиевого ангидрида) металлическим алюминием. При этом температура проводимой реакции может достигать нескольких тысяч градусов по Цельсию.

Естественно, что столь жёсткие технологические условия приводят к целому ряду проблем, среди которых:

• Необходимость особо тщательной подготовки, как самих исходных материалов, так и места проведения реакции (футеровка, розжиг, защита от взрывов).
• Большой расход алюминия.
• Нестабильность процесса при разной концентрации кислорода в сырье.
• Пониженное количество продукции на выходе.

Вакуумный углетермический

Один из самых перспективных методов, суть которого заключается в предварительном восстановлении пятиокиси ванадия до трёхокиса в водородной среде при температуре +500-600C. После чего в специально созданном вакууме под воздействием углерода, содержащегося в газовой саже, подмешиваемой к перерабатываемому продукту, осуществляется реакция восстановления ванадия до спектрально чистых материалов. Температурный режим реакции поддерживается на уровне +1250-1700C.

Преимуществом данной технологии является возможность непрерывного контроля, возможность организации удаления газов и низкая стоимость восстановительного компонента.

Хлоридный

Используемый в качестве сырья феррованадий подвергают хлорированию. Далее, полученный хлорид ванадия восстанавливают с помощью жидкого расплавленного в газообразном аргоне магния. В результате этого процесса получают губчатый металлический ванадий 99,5% чистоты.

Процесс более безопасен и эффективен в экономическом плане, чем кальцие- и алюмотермические технологии.

Свойства ванадия

Ванадий в чистом виде имеет светло-серый окрас. Его вес в полтора раза меньше веса железа. В условиях комнатных температур при относительно низкой влажности ванадий пассивен химически, однако при воздействии на него более высокими температурами легко соединяется с кислородом, азотом и другими элементами. Ванадий обладает высокой пластичностью и плотностью, составляющей 6,11 г/см3. Однако, стоит отметить, что его пластичность значительно снижается при наличии примесей кислорода, водорода и азота, что делает металл более твердым и хрупким. Также приобретает повышенную хрупкость под воздействием температуры, превышающей 300С. Имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку А=3,024А, z=2 и пространственную группу Im3m. Легко плавится при температуре 1920С и закипает при 3400 С.

Химический ванадий имеет устойчивость к воздействию на него морской воды, а также разбавленными растворами различных кислот (соляной, азотной, серной) и щелочей.

Результатом взаимодействия ванадия с кислородом является образования нескольких оксидов: VO, V₂O₃, VO₂,V₂O₅. Взаимодействие последнего оксида и основных оксидов приводит образованию солей ванадиевой кислоты вероятного состава HVO₃.

Ванадий благодаря своим характеристикам нашел широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако, основной сферой его использования является металлургическая промышленость. Именно ванадий выступает главным компонентом при изготовлении марочных чугунов и сталей. Кроме этого, ванадий является неотъемлемым компонентом химической промышленности, сельскохозяйственной деятельности, а также текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото и кинопромышленности. Также используется в аэрокосмической промышленности как легирующий компонент для титановых сплавов с целью улучшения их характеристик.

При работе с ванадием необходимо быть очень внимательным и предельно остнорожным. Это связано с тем, что соединения ванадия отличаются своими ядовитыми свойствами, способными вызвать острое отравление организма просто при вдыхании пыли, в которой содержатся частички ванадия. Как результат могут возникнуть кровотечение, головокружение, нарушение сердечного ритма и работы почек.

Таблица 1. Свойства ванадия

Характеристика	Значение
Свойства атома
Название, символ, номер	Вана́дий / Vanadium (V), 23
Атомная масса (молярная масса)	50,9415(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	3d3 4s2
Радиус атома	134 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	122 пм
Радиус иона	(+5e)59 (+3e)74 пм
Электроотрицательность	1,63 (шкала Полинга)
Электродный потенциал
Степени окисления	5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	650,1 (6,74) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	6,11 г/см³
Температура плавления	2160 К (1887 °C)
Температура кипения	3650 К (3377 °C)
Уд. теплота плавления	17,5 кДж/моль
Уд. теплота испарения	460 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,95 Дж/(K·моль)
Молярный объём	8,35 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,024 Å
Температура Дебая	390 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 30,7 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-62-2

Типы месторождений никелевых руд

Существует несколько типов месторождений никелевой руды, которые можно разделить на общие категории в зависимости от их геологических характеристик и процессов образования. Некоторые из распространенных типов месторождений никелевой руды включают:

1. Магматические месторождения сульфидов никеля: Эти отложения образуются в результате затвердевания и кристаллизации богатой никелем магмы из мантии Земли. Когда магма остывает и затвердевает, минералы сульфида никеля, такие как пентландит и пирротин, могут отделяться и накапливаться, образуя рудные тела. Месторождения магматических сульфидов никеля обычно связаны с ультраосновными или основными породами, такими как коматииты или нориты, и известны высоким содержанием никеля.
2. Латеритные месторождения никеля: латеритные месторождения никеля образуются в результате выветривания ультраосновных пород, таких как серпентинизированные перидотиты, в тропических или субтропических регионах. Со временем длительные процессы выветривания вызывают выщелачивание и накопление никеля и других элементов в почве, в результате чего формируется латеритный почвенный профиль. Месторождения латеритного никеля характеризуются обычно низким содержанием никеля и обычно встречаются в таких странах, как Индонезия и Новая Каледония.
3. Месторождения никель-кобальт-медных сульфидов: Эти месторождения обычно связаны с основными и ультраосновными интрузивными породами и характеризуются наличием сульфидных минералов никеля, кобальта и меди. Эти месторождения могут встречаться в виде вкрапленных сульфидов во вмещающих породах или в виде отдельных рудных тел и часто встречаются в ассоциации с другими ценными минералами, такими как элементы платиновой группы (ЭПГ).
4. Месторождения никель-кобальтовых латеритов: эти месторождения представляют собой разновидность латеритных месторождений никеля, но с более высоким содержанием кобальта по сравнению с другими латеритными месторождениями. Они характеризуются наличием богатых кобальтом минералов, таких как кобальт пирит и кобальтовый пентландит, в дополнение к минералам, богатым никелем. Месторождения никель-кобальтового латерита обычно находятся в тропических или субтропических регионах и известны своими запасами кобальта, который используется в различных высокотехнологичных приложениях, включая аккумуляторы для электромобилей.
5. Никелевые осадочные отложения: эти отложения образуются в результате накопления и диагенеза богатых никелем отложений в морской или озерной среде. Они могут встречаться в виде вкрапленных сульфидов в осадочные породы, такие как черные сланцы или аргиллиты, или в виде концентрированных богатых никелем слоев в осадочных толщах. Никелевые осадочные месторождения обычно имеют более низкое содержание по сравнению с месторождениями магматических сульфидов никеля, но они все же могут быть экономически жизнеспособными источниками никеля.
6. Месторождения метаморфического никеля: эти месторождения образуются в результате метаморфических процессов, когда существующие породы подвергаются изменениям температуры, давления и состава флюидов, что приводит к образованию никельсодержащих минералов. Месторождения метаморфического никеля могут встречаться в различных геологических условиях, таких как региональный метаморфизм или контактный метаморфизм, и часто связаны с другими метаморфическими минералами.

Это некоторые из основных типов месторождений никелевой руды, каждое из которых имеет свои уникальные геологические характеристики и процессы формирования. Понимание различных типов месторождений никелевой руды имеет решающее значение для разведки и добычи полезных ископаемых, поскольку помогает определить потенциальные области никелевых ресурсов и разработать соответствующие методы добычи.

никель. Кусок никелевой руды 

Ванадиевая сталь

Такое название имеет сталь, свойства которой были улучшены путем добавления ванадия. Первое применение такой стали было осуществлено во Франции в 19 веке. Ванадий имеет особое влияние на сталь и ее свойства, которые приобретаются в результате карбидо- и нитридообразования. Стоит отметить, что металл выступает сильным карбидообразующим элементом, в связи с чем при взаимодействии с углеродом стали образует карбид ванадия, а в результате реакции с азотом получается карбонитрид ванадия или его нитрид.

Стоит отметить, что путем легирования стали ванадием можно получить мелкозернистую структуру, существенно снизить склонность к перегреву, а также повысить устойчивость к износу и разного рода механическим повреждениям. Ванадиевая сталь имеет отличные литейные и сварочные свойства, чего нельзя сказать об углеродной стали. Благодаря этому, она нашла широкое применение во многих областях человеческой деятельности. 

Повышение чистоты металла

Уровень современного потребления требует получения ванадия высокого уровня чистоты. Так как даже незначительное количество примесей в виде азота, водорода, кислорода и углерода существенным образом снижают его механические свойства. При этом они ещё и трудно удаляемые. Другие химические элементы не оказывают столь негативного влияния на качество металла.

Электронная бомбардировка

Один из способов повышения частоты ванадия заключается в вакуумной переплавке методом электронной бомбардировки. Нагрев в таком случае весьма эффективен и позволяет получать специальные сорта металла, востребованные даже в атомных реакторах.

Электрорафинирование

Применяется для дальнейшей очистки чернового ванадия от примесей. Кальциетермический ванадий в виде кусков используемых в качестве анода и молибденовый стержень, являющийся катодом, помещают в расплав при температуре +620C. Двухступенчатый процесс, осуществляемый в инертной газовой среде под воздействием напряжения в 0,5 В, позволяет получить пластичный материал для ядерной энергетики.

Месторождения в России и мире

Хотя ванадий встречается гораздо чаще цветных металлов, но непосредственно собственные месторождения этого химического элемента достаточно редки. Гораздо чаще он является сопутствующим элементом других минералов.

По своему происхождению залежи этого минерала, имеющие практическое значение подразделяются на месторождения выветривания, магматические, метаморфогенные, осадочные и россыпные.

На территории России:

Магматические залежи представлены:

• Восточно-Уральскими месторождениями – Первоуральским, Качканарским, Гусевогорским.
• Западно-Уральскими – Копанским, Кусинским, Маткальским и Медведевским.
• Карело-Кольскими. Елеть Озером и Пудожгорским.
• Кузнецко-Саянскими. Кедранским и Лысаковским.
• Восточно-Забайкальскими. Кручининским.
• Сибирскими трапповыми. Байкитиковым и Камышевским месторождениями.

Осадочные залежи с высоким уровнем содержания ванадия – это нефтяные сернистые месторождения Поволжья и Урала.

Крупнейшие зарубежные ванадиевые месторождения:

• Магматические. Лак-Тио, Миллз, Пьюиджелон в Канаде; Тегавус в США; Родсенд и Сельвог в Норвегии; Таберг в Швеции; Бушвельд в ЮАР; Баррамби в Австралии.
• Выветривания. Брокен-Хилл на территории Замбии. Абенаб, Берг-Аунас, Тсумеб в Намибии. Также месторождения подобного типа распространены в США, Мексике, Аргентине, Австралии.
• Прибрежно-морские россыпи ванадия находятся на берегах Индии, Австралии и Новой Зеландии.
• Характерным представителем осадочного асфальтитного месторождения с высоким содержанием патронита, является МинасРагра в Перу.
• Метаморфенные залежи имеются в США, Норвегии и Финляндии (Отанмяки).