فلز وانادیوم

فلز وانادیوم چیست و از کاربردهای فوق العاده آن چه می دانید؟
فلز وانادیوم (Vanadium) به اشکال مختلف در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد و یک عنصر شیمیایی بسیار نادر استراتژیک با نماد V و عدد اتمی 23 است. وانادیوم یک فلز نرم، خاکستری نقره ای، شکل پذیر و دارای مقاومت ساختاری خوب و طبیعی در برابر خوردگی و مواد قلیایی، اسیدها و آب نمک است.

در طبیعت، این عنصر فقط در اشکال ترکیبی وجود دارد و به طور طبیعی در حدود 65 ماده معدنی مختلف و در ذخایر سوخت فسیلی یافت می شود. وانادیوم بیشتر در آفریقای جنوبی، شمال غربی چین و شرق روسیه استخراج می شود. این ماده در صنایع معمولاً از سرباره ذوب فولاد و از گرد و غبار دودکش روغن سنگین یا به عنوان محصول جانبی استخراج اورانیوم تولید می شود. 

قیمت فلز وانادیوم:
قیمت روز فلز وانادیوم با فاکتورهای مختلفی باز جمله نوع و ترکیبات وانادیوم ستگی دارد. این فلز کاربرد گسترده ای در صنایع دارد و بازار آن در جهان همچنان پر رونق است.

خصوصیات و چگونگی تولید فلز وانادیوم:
وانادیم اولین عنصر از گروه 5 (ستون پنجم) جدول تناوبی و یک فلز انتقالی با عدد اتمی 23، وزن اتمی 50942 و تراکم 6، 1 گرم بر سانتی متر مکعب است. وانادیوم این یک فلز خاکستری استیل، براق، شکل پذیر و قابل انعطاف است که به دلیل ترکیبات زیبا و رنگارنگ خود با الهام از الهه اسکاندیناوی Vanadis نامگذاری شده است. حالت های اکسیداسیون متداول این فلز شامل +2، +3، +4 و +5 است.

وانادیوم در پوسته زمین معمولاً رایج است و در طبیعت به شکل آزاد یافت نمی شود، اما در بسیاری از مواد معدنی (حدود 65) مانند وانادینیت، کارنوتیت و پاترونیت وجود دارد. همچنین در سنگ معدن های فسفات، بوکسیت و آهن وجود دارد. بزرگ ترین معادن این فلز در جهان از مگنتیت تیتانیفر (سنگ آهن) است و در کوه های اورال، آفریقای جنوبی و چین واقع شده است.

استخراج فلز وانادیوم و تولید جهانی سنگ معدن این فلز حدود 45000 تن در سال است و تولید این فلز به حدود 7000 تن در سال می رسد. با این حال، وانادیوم در درجه اول به عنوان محصول جانبی در طول فرآیند تولید فولاد به دست می آید.

دو فرم صنعتی با ارزش آن - پودر خالص وانادیوم و فرو وانادیوم - از طریق کاهش پنتاکسید وانادیوم (V2O5) تولید می شود که به نوبه خود از کانه ها در نتیجه انواع فرآیندهای ذوب، شستشو و بو دادن حاصل می شود.

تا حد زیادی، بیشترین سهم تولید اکسیدهای وانادیوم (حدود 80٪) از فرو وانادیوم - که آلیاژی از آهن حاوی 35 تا 80 درصد وانادیوم است - یا افزودنی HSLA (با مقاومت بالا و آلیاژ پایین) است. وانادیوم به خودی خود نرم است، اما اگر با فلزات دیگر مانند آهن آلیاژ شود، می تواند آنها را بسیار سخت و محکم کند: فقط افزودن 0.2٪ وانادیوم به فولاد باعث می شود که این ماده تا 100٪ قویتر شود و از همه مهم تر به میزان قابل توجهی سبک تر باشد.

کاربردهای فلز وانادیوم:
برای اولین بار از اواخر دهه 1800 برای زره پوش کردن فولاد در بدنه کشتی های جنگی، از این فلز برای تقویت و سخت شدن فولاد استفاده می کردند. در آن زمان این فلز هم از نظر عملکرد و هم از نظر هزینه بسیار استراتژیک بود. وانادیوم دارای ویژگی های چشمگیری است که به آن توانایی می دهد تا چیزها را قوی تر، سبک تر، کارآمدتر و قدرتمندتر کند.

با ساخت (فلز الکتریکی)، ساختار کم الکترون آن به خوبی به تشکیل نیتریدها و کاربیدهای پایدارتر هنگام افزودن به آهن کمک می کند. همچنین از آن به عنوان پلاستیک قرن 21 یاد می شود زیرا آلیاژهای فوق العاده با مقاومت بالا و فوق العاده سبک ایجاد می کند.

اگرچه سایر فلزات نیز می توانند تأثیرات مشابهی بر روی فولاد داشته باشند، اما فقط مقدار کمی از این فلز مورد نیاز است تا مقاومت کششی آن را به طور چشمگیری افزایش دهد و این امر باعث می شود که فلز وانادیوم یکی از مقرون به صرفه ترین مواد افزودنی آلیاژهای فولاد باشد. آلیاژ کروم وانادیوم نیز برای روکش ابزار آلات جهت مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شود.

این ویژگی های منحصر به فرد فلز وانادیوم کاربرد آن را در برنامه های ساختمانی در سراسر جهان ضروری ساخته است زیرا بازسازی مناطق زلزله زده و ابتکارات اقتصادی و معماری پیشرفته محدودیت های فیزیکی را تحت فشار قرار می دهد.

این فلز همچنین به عنوان یک عنصر آلیاژی در صنایع دیگر مانند هوا فضا مورد استفاده قرار می گیرد، جایی که بر خلاف صنعت فولاد، فلز جایگزین دیگری وجود ندارد. آلیاژهای وانادیوم - تیتانیوم بهترین مقاومت را نسبت به سایر مواد مهندسی شده روی زمین از نظر نسبت وزنی دارند.

وانادیوم به عنوان یک سوپر شارژر:
فلز وانادیوم نقشی اساسی در پیشرفت فناوری باتری، در برنامه های کاربردی خودرو (سیار) برای وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی و در برنامه های ذخیره سازی انرژی ثابت برای انرژی های تجدید پذیر و معمولی، آغاز کرده است. شبیه به سهم خود در فولاد، 4 حالت مثبت این فلز (2+ تا +5) است که آن را به یک رسانه عالی ذخیره انرژی تبدیل می کند. فلز وانادیوم به عنوان یک سوپرشارژر برای باتری ها عمل می کند و عملکرد آنچه به آن اضافه می شود را بهبود می بخشد.

در مورد باتری های اتومبیل (باتری لیتیوم یونی)، این فلز چگالی انرژی و ولتاژ باتری را افزایش می دهد. این مسئله برای کاربرد در خودروهای الکتریکی و هیبریدی مهم است، زیرا چگالی انرژی برابر با مسافت / دامنه است، در حالی که ولتاژ برابر با گشتاور موجود است.

در مورد سیستم های ذخیره انرژی، باتری Vanadium Flow (VFB) با توجه به ظرفیت ذخیره سازی تقریباً نامحدود، ماندگاری طولانی باتری، نیاز به تعمیر و نگهداری پایین، سازگاری با محیط زیست، یک سیستم ذخیره انرژی پیشرو است.

وانادیوم و ساخت فولاد:
بیشترین مصرف وانادیوم (تا 98٪) به عنوان فرو وانادیوم (مخلوطی از آهن و وانادیوم) است. از اواخر دهه 1800 که از "فولاد وانادیوم" برای زره پوش کردن کشتی های جنگی استفاده شد و آنها را نسبت به پوسته های انفجاری غیر قابل نفوذ می کرد به عنوان یک افزودنی در صنعت فولاد مورد استفاده قرار گرفت.

فقط مقدار کمی از وانادیوم مقاومت، سختی و پایداری دمایی بالای فولاد را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. کاربردهای وانادیوم امروزه در ماشین آلات و ابزارها یافت می شود اما بیشترین تقاضای آن در ساخت و ساز و حمل و نقل (خودرو، هواپیما و هوا فضا) است.

وانادیوم در ساخت و ساز:
وانادیوم یک فلز استراتژیک است که بهترین عامل تقویت کننده فولاد است. فقط مقدار کمی وانادیوم برای افزایش چشمگیر مقاومت در برابر کشش فولاد لازم است و باعث می شود این فلز یکی از مقرون به صرفه ترین مواد افزودنی آلیاژهای فولاد باشد.

تقاضای وانادیوم امروز ناشی از افزایش تولید فولاد در درجه اول در چین، هند و کشورهای در حال توسعه است. در عین حال، عوامل اقتصادی و قانونی مختلفی در حال افزایش استفاده از وانادیوم در صنعت فولاد است، مانند میلگرد قوی تر برای کاهش تخریب فاجعه بار در مناطق زلزله خیز و همچنین تأمین مقاومت مورد نیاز در طرح های پیشرفته معماری. در نتیجه انتظار می رود که تقاضا برای وانادیوم از سال 2010 تا 2025 هر ساله 7 درصد فقط براساس استفاده در صنعت فولاد رشد کند.

وانادیوم در حمل و نقل:
هواپیمای پرسرعت SR-71B ناسا از آلیاژ تیتانیوم - آلومینیوم - وانادیوم در موتور جت خود برای رسیدن به ارتفاعات بیش از 85000 فوت و سرعت بیش از 2200 مایل در ساعت استفاده می کنند. وانادیوم همچنین به عنوان یک عنصر آلیاژی در جنبه های مختلف حمل و نقل از جمله خودرو، هواپیما و هوا فضا بسیار مهم است.

تراشکاری و مزایای اقتصادی فولاد وانادیوم باعث می شود که این ماده به طور گسترده ای در قطعاتی مانند محورها، میل لنگ ها، چرخ دنده ها و شاسی ها مورد استفاده قرار گیرد. در هواپیما و هوا فضا، از قدرت و پایداری حرارتی وانادیوم در موتورهای جت استفاده می شود.

از ورق وانادیوم در روکش فلزی تیتانیوم به فولاد برای ساخت فریم های هوا استفاده می شود. در این بخش، وانادیوم غیرقابل تعویض است زیرا هیچ جایگزینی قابل قبول برای آن در آلیاژهای تیتانیوم هوا فضا وجود ندارد. این بدان دلیل است که آلیاژهای وانادیوم - تیتانیوم بهترین نسبت مقاومت وزنی را نسبت به سایر مواد مهندسی شده روی زمین دارند.

علاوه بر این مانند آلیاژهای فولادی که در ساخت و ساز استفاده می شود، برای دستیابی به خصوصیات حیاتی مورد نظر برای ایمنی و عملکرد، فقط مقادیر کمی از این فلز مورد نیاز است.

وانادیوم و باتری ها:
فناوری های انرژی پاک و تجدیدپذیر مانند اتومبیل های برقی و تولید انرژی بادی و خورشیدی همچنان در بازارهای جهانی رشد می کنند. با این حال، شبکه موجود هرگز برای کنترل منابع تغذیه متناوب ذاتی این منابع انرژی پاک طراحی نشده است.

یک روش کارآمد برای ذخیره مازاد انرژی در حالی که در یک لحظه مقادیر زیادی از آن در دسترس است، مانعی فلج کننده خواهد بود. بزرگ ترین چالش انرژی های تجدید پذیر، بزرگ ترین فرصت برای وانادیوم است. این راه حل در ویژگی های منحصر به فرد وانادیوم نهفته است که آن را به یک سوپرشارژر باتری تبدیل می کند.

وانادیوم در حال حاضر سرعت خودروها را به میزان بیشتری افزایش داده و راه حلی برای سیستم های ذخیره سازی انرژی پاک و انبوه در قالب باتری ارائه می دهد.

خطرات فلز وانادیم بر سلامتی:
ترکیبات این فلز به عنوان یک خطر جدی در نظر گرفته نمی شوند، با این حال، کارگران در معرض گرد و غبار وانادیوم پراکسید دچار تحریک شدید چشم، بینی و گلو خواهند شد.

جذب این فلز توسط انسان عمدتا از طریق مواد غذایی مانند گندم سیاه، لوبیای سویا، روغن زیتون، روغن آفتابگردان، سیب و تخم مرغ انجام می شود. هنگامی که این جذب بیش از حد زیاد باشد، این فلز می تواند تأثیرات مخربی بر سلامت انسان بگذارد. وقتی جذب فلز وانادیوم از طریق هوا انجام شود، می تواند باعث برونشیت و ذات الریه شود. اثرات حاد این فلز شامل تحریک ریه ها، گلو، چشم ها و حفره های بینی است.

سایر اثرات مخرب بر سلامتی در جذب این فلز عبارتند از:

• بیماری های قلبی و عروقی.
• التهاب معده و روده.
• آسیب به سیستم عصبی.
• خونریزی کبد و کلیه.
• بثورات پوستی.
• لرزش شدید و فلج.
• خونریزی بینی و دردهای گلو.
• ضعف..
• بیماری و سردرد.
• سرگیجه.
• تغییرات رفتاری.

سمیت وانادیوم برای انسان:
خطرات بهداشتی مرتبط با قرار گرفتن در معرض فلز وانادیوم به حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد. وانادیم عنصری را می توان هنگام جوشکاری به پنتا اکسید وانادیوم، اکسید کرد. فرم پنتا اکسید سمی تر از شکل اولیه این فلز است. قرار گرفتن در معرض مزمن گرد و غبار و بخار پنتاکسید وانادیوم ممکن است باعث تحریک شدید چشم، پوست، دستگاه تنفسی فوقانی، التهابات مداوم نای و برونش، مشکلات ریوی و مسمومیت سیستمیک شود.

علائم و نشانه های قرار گرفتن در معرض بیش از حد این اکسید عبارتند از: نازوفارنژیت، سرفه، تنفس سخت، ضربان قلب سریع، تغییرات ریه، برونشیت مزمن، رنگ پریدگی پوست، زبان سیاه و سبز و بثورات پوستی آلرژیک.

اثرات وانادیوم بر محیط زیست:
این فلز را می توان در جلبک ها، گیاهان، بی مهرگان، ماهی ها و بسیاری از گونه های دیگر یافت کرد. در صدف و خرچنگ ها این عنصر به شدت تجمع زیستی می کند که می تواند منجر به غلظت 10 تا 5 برابر بیشتر از غلظت موجود در آب دریا شود.

این عنصرباعث مهار برخی از آنزیم ها در حیوانات می شود که دارای چندین اثر عصبی است. در کنار اثرات عصبی این عنصر می تواند باعث اختلالات تنفسی، فلج و اثرات منفی بر روی کبد و کلیه ها شود.

آزمایشات انجام شده در آزمایشگاه بر روی حیوانات نشان داده شده است که فلز وانادیوم می تواند به سیستم تولید مثل حیوانات نر آسیب برساند و در جفت ماده ها تجمع کند. در بعضی موارد این فلز می تواند باعث تغییر DNA شود اما نمی تواند باعث ایجاد سرطان در حیوانات شود.

چشم اندازهای فلز وانادیوم:
چشم انداز رشد برای مصرف فلز وانادیوم، هم در ساخت فولاد و هم در فرآیندهای شیمیایی با خلوص بالا، بسیار جذاب به نظر می رسد. رشد جهانی در تولید فولاد، همراه با رشد استفاده از فولادهای وانادیوم با استحکام بالا برای جایگزینی فولادهای منگنز کربن با مقاومت کمتر، رشد مصرف این فلز را همراه با کیفیت کالا نشان می دهد.

رشد تقاضای هوافضا و صنایع دفاعی تجاری برای آلیاژهای تیتانیوم به معنای استفاده روزافزون از وانادیوم با خلوص بالا در این موارد است.

با نگاهی به برنامه های جدیدتر، پتانسیل فوق العاده ای برای فلز وانادیوم در برنامه های ذخیره انرژی، چه در جلو و چه در پشت کنتور وجود دارد.

سایر کاربردهای بسیار جالب جدید وانادیوم در آینده می تواند شامل پوشش های همرفت ترموکرومیک تغییر شکل پویا برای شیشه های معماری منجر به صرفه جویی در انرژی، به عنوان یک کاتالیزور برای تقسیم آب برای حمایت از اقتصاد مبتنی بر هیدروژن آینده و نسل بعدی (فراتر از یون لیتیوم) باتری های درون یابی و حالت جامد برای کاربردهای متحرک می باشد.

وانادیوم به دلیل نقش خود در کاربردهای هوافضا غیرقابل جایگزینی است و اهمیت آن در پشتیبانی از توسعه حمل و نقل هوایی و کاربردهای دفاعی در آینده همچنان رو به رشد خواهد بود.

در همان زمان، استفاده از وانادیوم در صنعت فولاد امکان توسعه مداوم زیرساخت ها در کشورهای در حال توسعه را فراهم می کند تا با استفاده از فولادهای وانادیوم با مقاومت بالا و کم آلیاژ برای جایگزینی کربن با مقاومت کم، از توسعه اقتصادی به کارآمدترین شکل ممکن پشتیبانی کند.

کاربردهای جدید بالقوه در ذخیره انرژی، تجمع ترموکرومیک و تقسیم آب تضمین می کنند که وانادیوم از نظر حمایت از توسعه اقتصادی جهانی به کارآمدترین شکل ممکن رشد خواهد کرد.