釩的應用研究綜述
0 引言
現代工業中,90% 以上的釩通過釩鈦礦及其礦渣通過焙燒、浸出等手段進行提取。其余的釩以化合物的方式存在于鋁土礦、磷酸鹽礦和含鈾砂礦中。其中,釩鐵和金屬釩主要應用于鋼鐵冶金和航空航天行業,含釩化合物應用于化工和電池行業。首先,鋼鐵冶金行業中,少量釩的添加即可有效地提高鋼鐵的強度、韌性、延展性、耐熱和耐磨性等,其占釩總用量的85%。有色冶金行業中,金屬釩可用于生產釩鈦合金。其次,約有10%的釩應用于化學工業,大部分以化合物或聚合物的形式充當催化劑使用。另外,釩元素作為材料添加劑,可用于硬質合金、磁性、超導及核反應堆材料等。而釩的氧化物及其化合物充當著色劑可有效應用在玻璃和陶瓷工業。最后,作為新型領域,釩還用于生產釩電池、稀土釩、釩納米和釩薄膜材料等高科技材料。
1 釩在鋼鐵行業的應用
釩在各個領域中應用廣泛,但生產的85% 的釩應用在鋼鐵冶金及其相關領域。所用合金鋼中,均能見到釩的蹤跡,釩具有多價態,因此可以充當脫氧劑,且釩具有立方體結構,在鋼鐵中起到骨架作用,強化鋼的強度。少量的釩即可有效地細化鋼組織和精粒,降低過熱敏感性;提高韌性、強度和服役性能;增加淬火鋼的回火穩定性。釩在鋼中主要以合金形式存在,含釩合金主要包括鐵基合金和非鐵基合金,而鐵基合金占大部分,其中釩鐵在鐵基合金中用量最大?,F階段,生產出來的釩鐵合金有釩硅鈣、釩硅鐵、釩錳鐵、氮化釩鐵、釩鈦硅等,而非鐵基系列的含釩合金主要有釩鋁合金、釩碳與釩氮合金等。
2 釩在航天工業的應用
航工航天工業中,鈦合金應用非常廣泛,通常應用于發動機、太空艙骨架、火箭發動機外殼及蒸汽鍋輪機葉片等方面,而金屬釩和鋁是其中的關鍵元素。釩鋁合金具有良好的延展性、
很好的強度、耐腐蝕、輕盈等很多優點,因此,航空航天中90%的合金均為釩鋁合金。世界上生產釩鋁合金的主要企業包括:美國有色合金公司、戰略礦物公司、雷丁合金公司,德國的GFE公司以及俄羅斯的VSMPO公司等。主要生產釩鋁65合金,美國雷丁和德國GFE全球份額80%。而國內生產釩鋁合金的企業主要包括寶鈦、承德天大以及錦州鐵合金等,主要生產釩鋁55合金,大多數產品為民用。目前,國際航空航天中以釩鋁65合金最為廣泛,與傳統釩鋁55合金相比,有害雜質低,氧化膜和氮化膜少,成分均勻性更優。
3 釩在化工行業(催化劑)的應用
化工及相關行業中,釩基催化劑是非常重要的氧化催化劑,其催化機理是基于釩的配位作用。硫酸工業生產中,V2O5是重要的二氧化硫氧化的釩系固體催化劑;通過在活性炭中填充五氧化二釩,可有效提高脫除煙氣中的硫氮氧化物;五氧化二釩亦可以用作有機物(如順酐和苯酐等)氧化反應的催化劑[6];聚合反應是將簡單化合物轉變為高聚化合物,釩可作為聚合反應催化劑,催化聚合產生無規交替共聚物,也可得到乙烯和丙烯單元均勻分布的乙丙橡膠。另外,釩系催化劑還用于烷基化反應、氨化反應、氧化脫氫反應及醋酸生產等方面。目前,工業釩系催化劑中,1/3用于硫酸生產,1/3用于乙丙橡膠合成,其余主要用于順酐和苯酐生產、選擇性催化還原(SCR)氮氧化物等。用于氨合成方面的釩基催化劑大部分處于實驗室研發階段,中國科學院已開發了一種釩基氨合成與氨分解催化劑。
4 釩在電池方面的應用
釩電池(全釩氧化還原液流電池)是一種高效儲能和高效輸出的裝置應用前景廣泛,受到了世界各國科研人員的關注和深入研究,并建立了許多商業示范裝置。國際上,加拿大VRBPower Systems公司于2003年和2001年先后建造200kW/800kW·h和250kW/2MW·h的全釩液流儲能電池系統。另外,日本住友電工公司與2005年和2012年先后建造4MW/6MW·h和1MW/5MW·h全釩液流電池儲能系統示范項目。在我國,釩電池研發公司主要包括北京普能、北京金能燃料電池、上海林洋儲能、南京國電南瑞和大連融科儲能等高科技公司。另外,中國科學院大連化學物理研究所于2006年成功研發10kW全釩液流電池系統。鋰離子電池具有儲能大和循環次數高等優良特性。但是,制備鋰離子電池的材料技術不成熟,成本高、低溫下電池放電效率差等缺點,制約了電池整體性能和真正商業化的發展。根據鋰離子電池正極材料分類,主要包括鋰鎳、鋰錳和鋰鈷氧化物電池。其中,鋰鎳氧化物電池制備工藝復雜,鋰錳氧化物電池循環次數差,鋰鈷氧化物電池制備價格昂貴,限制了其大規模
商業化。而釩系正極材料比容量高,制備成鋰電池可實現高存放電,且價格相對低廉。
5 釩在材料領域的應用
稀土釩酸鹽材料與其他材料有很大的不同,表現在光催化活性、易導電光氣敏感性和磁性等性能。原因在于其特殊的原子結構(d電子和f電子結構),較大的原子磁矩和較強的自旋軌
道等特性。因此,應用領域廣泛,包括發光材料、光催化劑材料、化學傳感材料和介電材料等。例如,發光材料中,YVO4因其性能優異,制備成本相對低廉,已早早實現了工業化。利用稀土釩酸鹽材料制成的光催化劑,可以在溫和的條件下將含氯揮發有機物進行有效降解。
傳統上,氫氣只能使用氣瓶和液態方式進行貯存,但存在安全性差、能耗高、貯存量少、成本高等缺點。作為一種新型能源材料,釩基固溶體貯氫合金可在較溫和條件下,高效吸放氫
氣,且貯氫量大,約本身體積的1000倍。因此,可廣泛應用于貯氫和輸送氫,在未來的氫能源汽車等方面應用前景廣闊。作為一種熱敏功能材料,VO2具有很好的相變性質。由于
其特殊的性能,應用范圍廣泛,主要包括光器件、光存儲、光電設備、智能玻璃等方面。由VO2制成的薄膜,具有體積小、質量輕,且造價低廉等優點而大量應用。作為太陽能控制材料,低溫下可以透過紅外輻射而高溫下具有阻擋高輻射的能力,可有效改善室內溫度。由于此材料電阻率對熱輻射敏感,因此,可制成熱敏電阻材料,如火災報警器。且VO2薄膜其獨特的相變性質,因此,可制成光盤介質材料。眾所周知,納米材料是尺寸1~100nm粒子材料。研究發現,納米釩材料有著其他納米材料無法替代的地位,在光學數據存儲、光原件、光熱開關、傳感器等領域有廣闊的應用場景。其中,VO2、V2O3和V2O5和復合釩納米材料研究較多。
6 釩在其他領域的應用
另外,在醫學方面、顏料領域(玻璃與陶瓷著色)、核反應堆釩合金材料等多個領域,釩有著無法替代的作用。醫學方面,釩元素在人體的新陳代謝中至關重要。生物學中釩元素以四價和五價為主。釩在牙齒發育中起著不可替代的作用。且釩可以促進糖的代謝,促進血紅細胞生長。其中,在降糖領域的研究尤為活躍,釩具有良好的類胰島素作用,還可保護胰島細胞,降低體內血糖。成本上,釩具有合成相對容易、價格較低廉的優勢,例如,長春醫藥集團已經發出一種含釩化合物的新藥—連麥氧釩膠囊,已經推向市場,降糖效果顯。在顏料領域,釩主要用于制備鉍黃及釩鋯藍顏料。鉍黃無毒且色澤良好,是傳統鉻黃、鎘黃等有毒顏料的理想替代品,因此,鉍黃顏料有著廣泛的市場前景,尤其釩鋯藍顏料在陶瓷業中應用較多。另外,印刷油墨離不開氧化物釩和偏釩酸鹽釩,例如,利用偏釩酸鐳,可生產快干油墨。因為釩對苯胺有氧化作用,因此可生產黑色顏料。在核反應堆材料上,作為聚變反應器的覆蓋和屏蔽墻,離不開釩基合金。其優點是其他材料的無可替代性,包括中子俘獲面積小,抗腐蝕,高溫蠕變強度好等優點。且用于熱核反應堆的包套材料,要求具有高溫機械強度,可抵抗輻射引起的膨脹、易脆問題以及與氫、鋰各種冷卻劑的兼容性良好。例如:美、德等國開發的V15Cr5Ti和V3Cr1Si兩種合金,具有高傳導性和低膨脹系數等優點。
7 結語
現階段,釩的主要用途是生產各種釩鋼鐵,包括硅釩鐵、氮化釩鐵、釩錳鐵等,其具有強度高、韌性大、耐磨性等優點,使用量占總消耗量的85%。主要應用在汽車、建筑、橋梁、機械和國防等各個方面。但目前釩鋼中使用量最多的當屬碳素鋼。鈦合金中,釩作為穩定和強化劑使用,可以很好地增加鈦合金的延展和可塑性,廣泛用于航空航天領域。我國在生產高級釩鈦合金的技術有待提高,且隨著航天事業的大力發展,高級釩鈦合金鋼需求量會大度增加?;瘜W工業中,釩作為催化劑和著色劑的作用會更加顯著。此外,在原子能、超導材料、電子工業方面,由于金屬釩耐腐蝕、易加工和良好相變等優點,被廣泛使用。最后,隨著未
來技術的不斷發展,釩作為蓄電池,其使用量會飛速增長。