文章轉載自“戰(zhàn)略性關鍵金屬科普平臺”
“金屬維生素”——釩
(圖源攝圖·新視界)
1 認識釩元素
釩先后被兩次發(fā)現(xiàn)。1801年，墨西哥城的礦物學教授節(jié)烈里瓦在釩酸鉛礦石中首次發(fā)現(xiàn)了這種元素，并將其送到巴黎進一步研究，然而法國化學家推斷它是一種被污染的鉻礦石。1830年，瑞典化學家塞夫斯特倫在研究瑞典斯馬蘭礦區(qū)的鐵礦時，在被酸溶解后的黑色殘渣中再次發(fā)現(xiàn)了釩。由于其化合物五顏六色，十分漂亮，因此將北歐神話中美麗女神“凡娜迪絲”（Vanadis）的名字賦予了它。
圖1 節(jié)烈里瓦，左；塞夫斯特倫，右
（圖源百度百科）
釩（V）在元素周期表中位于第四周期第五副族，屬于第一排過渡族金屬。在自然界中具有4種氧化價態(tài)（+2、+3、+4、+5），地核中可能為0價。釩是地球上廣泛分布的微量元素之一，主要賦存于磁鐵礦、磷酸鹽巖、含鈾砂巖和粉砂巖礦床中。鋁土礦、石油、煤、油頁巖、石煤和焦油砂等富含有機碳的物質中也呈現(xiàn)較高的含量，但至今尚未發(fā)現(xiàn)獨立存在的釩礦物。
圖2 釩的物理化學性質
2 開辟“釩藍?！?/span>
優(yōu)異性能多
釩是一種銀灰色難熔難揮發(fā)的稀有金屬。具有剛柔并濟的性質，活潑多變的價態(tài)，艷麗多彩的光澤。高純度的釩質地堅硬，無磁性，具有延展性好、不易氧化、質量輕等特性。當它被加入常規(guī)金屬形成合金時，能顯著提高合金的塑性、延展性、柔韌性與強度。
圖3 a高純釩（圖源范例網）；b水硅釩鈣石（圖源百度圖片）；c釩鉛礦石（圖源花瓣網）；d釩鈣鈾礦（圖源百度圖片）
應用領域廣
釩在鋼鐵工業(yè)、冶金化工、航空航天、國防軍工、醫(yī)藥、顏料、玻璃、新能源電池等領域均有重要應用，有“金屬維生素”、“化學面包”、“現(xiàn)代工業(yè)的味精”之稱。
圖4 2001-2019年我國釩消費結構變化
（資料來源：中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會；中國鋼研；國家統(tǒng)計局；前瞻產業(yè)研究院）
（1）
含釩鋼筋
釩在鋼鐵工業(yè)中主要用作合金添加劑，我國90%左右的釩用于鋼鐵工業(yè)。利用加釩對鋼材進行微合金化，既能極大地提升產品的強度、韌性、耐高溫性、抗腐蝕性，又可以節(jié)約鋼材消耗量。相較于普通熱軋鋼筋，含釩鋼筋在連鑄、加工等方面具有獨特優(yōu)勢，具備抗震性能優(yōu)良、屈強比高、屈服強度波動范圍小、延伸率高、彎曲性能好、低時效、易焊接等特性。利用（釩）微合金化將鋼筋強度由400兆帕提升到500兆帕，理論上可節(jié)約15%～20%的鋼筋消耗量。按照我國鋼鐵行業(yè)平均能源消耗與碳排放數據測算，平均每年可節(jié)約1.1億噸以上標準煤消耗、可減少3.7億噸以上二氧化碳排放，這對于推動鋼鐵行業(yè)碳達峰及降碳具有積極作用。
圖5 攀鋼含釩鋼筋（圖源中國鋼鐵新聞網）
（2）
釩電池
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。釩電池儲能系統(tǒng)由正負電極、電解液儲液罐、離子交換膜組件等幾部分構成。通過電解液中釩離子的價態(tài)變化產生電流流動，循環(huán)使用次數可達5000次至1萬次，是鋰電池的10倍以上。釩電池的功率大、容量大、效率高、壽命長、響應速度快、可瞬間充電、安全性高、成本低，已成為可再生能源儲能、電網調峰、備用電源等領域的首選技術之一，被稱為“電力銀行”。
圖6 全釩液流電池概述圖（圖源百度百科）
圖7 全國產化材料200KW全釩液流電池系統(tǒng)
圖8 裝有釩電池的集裝箱（圖源經濟日報）
（3）
醫(yī)療
釩元素在人體新陳代謝、牙齒發(fā)育中至關重要。國內外對釩化合物的研究早期多集中于降糖作用。釩可以促進糖的代謝，促進血紅細胞生長。具有良好的類胰島素作用，可保護胰島細胞，降低體內血糖含量。
圖9 釩細胞中釩的存儲機制
圖10 1型和2型糖尿病的原因（Chatterjee et al., 2013）
（4）
釩的同位素
釩共有31種同位素，其中天然存在的包括50V（0.25%）和51V（99.75%）兩個穩(wěn)定同位素，其余全部通過人工合成。作為多價態(tài)的元素，釩同位素在自然界中存在顯著分餾，可以作為地球化學示蹤劑來制約高溫和低溫地質過程的物理化學狀態(tài)，特別是氧化還原條件的變化。目前中國科學技術大學金屬穩(wěn)定同位素實驗室可以進行極高精度的釩同位素組成測試。
① 釩同位素可以鑒別磁鐵礦控制的地質過程
磁鐵礦是地質過程中廣泛出現(xiàn)的暗色礦物，釩在磁鐵礦中顯著相容。巖漿演化過程中，磁鐵礦結晶會優(yōu)先富集50V，導致殘余熔體的V同位素組成變重。
圖11 V3+在磁鐵礦結構中的賦存狀態(tài)
（圖源北京同步輻射裝置科研亮點）
圖12 實驗測定磁鐵礦與含水花崗巖熔體之間的V同位素分餾系數（Sossi et al., 2018）
圖13 冰島Hekla和馬里亞納Anatahan熔巖的V同位素組成（Prytulak et al., 2018）
圖14 基拉韋巖漿湖的V同位素組成（Ding et al., 2020）
② 釩同位素可以制約核幔分異過程
釩在地核形成氧逸度范圍存在+2和+3價；釩在金屬中以0價存在，因此地核形成過程可能產生釩同位素分餾。相應的分餾系數可以通過測量金屬和硅酸鹽熔體平衡實驗中兩相的釩同位素組成獲得。
圖15 深部巖漿洋模型（Wood et al., 2006）
圖16 高溫高壓實驗樣品的結構（Zhang et al., in prep）
③ 釩同位素在古環(huán)境示蹤方面有巨大潛力
作為一個氧化還原敏感元素，釩在沉積物中的富集程度隨海水氧化還原狀態(tài)的變化而變化。對現(xiàn)代大洋各類沉積物的釩同位素研究發(fā)現(xiàn)，不同氧化狀態(tài)的沉積環(huán)境中，釩的沉積過程伴隨的同位素分餾截然不同。因此，V同位素組成可以示蹤局部水體甚至是全球海水的氧化還原程度。
圖17 氧化還原敏感微量元素與海洋-大氣氧化還原演化（Sahoo et al., 2012）
圖18 海洋沉積物的釩同位素組成（Wu et al., 2020）
3 了解釩資源
釩是我國重要的戰(zhàn)略資源，當前儲量位居世界第一
據美國地質調查局(USGS)統(tǒng)計，全球已探明的釩礦總金屬儲量為2200萬噸，主要分布在中國、俄羅斯、澳大利亞、南非、巴西、美國等地，其中我國釩礦總金屬儲量約為950萬噸，居世界第一。
圖19 世界主要國家2020年釩儲量分布
（數據來源：美國地質調查局Mineral Commodity Summaries, 2021）
中國釩資源分布，主要來自于釩鈦磁鐵礦及沉積型釩礦資源
（1）
釩鈦磁鐵礦
由于V3+的離子半徑（0.061nm）與Fe3+（0.063nm）相近，因此釩在自然界中以類質同象的形式廣泛賦存于含鐵礦物中。目前，世界上已探明的釩資源量主要來源于釩鈦磁鐵礦。我國釩鈦磁鐵礦主要分布于四川攀西與河北承德地區(qū)，礦床規(guī)模巨大。張家口、內蒙古赤峰、遼寧省建平等地區(qū)也發(fā)現(xiàn)多處超貧釩鈦磁鐵礦礦床或礦點，具有一定的資源開發(fā)潛力。
圖20 攀枝花釩鈦磁鐵礦（圖源礦道網）
（2）
沉積型釩礦資源
我國特有的一種低品位含釩資源。是指賦存于富有機質（TOC> 5%）和還原硫（TS> 1%）的黑色碳質頁巖中，通過沉積成礦作用形成于陸內和大陸邊緣的海相缺氧環(huán)境下的釩礦床，常與 Ni、Mo、U、P、S、Au、Ag、Ba、PGE 等元素伴生產出。中國沉積型釩礦資源非常豐富，主要分布在陜西、湖南、湖北、貴州等17個省區(qū)，形成了塔里木克拉通北緣、揚子克拉通北緣和揚子克拉通東南緣三大沉積型釩礦成礦帶。主要成礦時代為寒武紀。礦床規(guī)模以中小型為主，大型釩礦較少。礦石品位較低，釩的賦存狀態(tài)較復雜，選冶成本較高，總體上資源稟賦一般。
圖21 南秦嶺千家坪釩礦礦體特征。a—條帶狀釩礦石；b—條帶狀礦石中夾泥質巖透鏡體；c—釩礦層中賦存的磷結核；d—第一巖性段條帶狀礦石與第二巖性段泥質灰?guī)r接觸帶（徐林剛等，2022）
據國際釩技術委員會統(tǒng)計，2020年全球釩消耗量為10.3萬噸金屬釩當量。以目前的消耗速度，全球現(xiàn)有可經濟開采釩金屬量僅能供人類使用200年。釩鋼相關性及基于ARIMA模型的部門需求預測表明，2026年我國釩需求量將達到峰值，屆時需求量為11.62萬噸，隨后維持在10.79萬~10.90萬噸高位震蕩。
圖22 2020-2035年我國釩需求趨勢預測圖
