Эколого-геохимическое картирование урбанизированной территории на примере ванадия

Можно сократи  до : открыл Ванадивую стал Г.Форд и  т.д. 
 

Стали, содержащие ванадий, не утратили своего значения и поныне. Элемент №23 придает  стали такие качества как прочность, легкость, устойчивость к воздействию высоких температур, гибкость. Чем объяснить столь широкий диапазон полезных свойств? Ответить на этот вопрос помогает сам ванадий. Он – один из «откровенных» металлов. Как это понимать? 

Известно, что  наилучшую прокаливаемость стали  придает молибден, наибольшую вязкость сталь приобретает от введения никеля, а ее магнитные свойства усиливаются присутствием кобальта. Далеко не всегда можно точно сказать, почему та или иная легирующая добавка придает стали определенные качества. А вот о причинах улучшения свойств стали ванадием многое известно достаточно полно и достоверно. 

Давно установлено, что расплавленная сталь поглощает  много газов, прежде всего кислорода  и азота. Когда металл остывает, газы остаются в слитках в виде мельчайших пузырьков. При ковке пузырьки вытягиваются в нити (волосовины) и прочность слитка в разных направлениях становится неодинаковой. Ванадий, введенный в сталь, активно реагирует с кислородом и азотом, продукты этих реакций всплывают на поверхность металла жидким шлаком, который удаляется в процессе плавки. Тем самым повышается прочность отливок, оставшийся ванадий раньше других элементов взаимодействует с растворенным в стали углеродом, образуя твердые и жаростойкие соединения – карбиды. Карбиды ванадия плохо растворяются в железе и неравномерно распределяются в нем, препятствуя образованию крупных кристаллов. Сталь получается мелкозернистой, твердой и ковкой. Структура ванадиевой стали сохраняется и при высоких температурах. Поэтому резцы из нее меньше подвержены деформациям в процессе обработки детали на больших скоростях, а штампы незаменимы для горячей штамповки. Мелкокристаллическая структура обусловливает также высокую ударную вязкость и большую усталостную прочность ванадиевой стали. Практически важно еще одно ее качество – устойчивость к истиранию. Это качество можно наглядно проиллюстрировать таким примером: за тысячу часов работы стенки цилиндров дизель-моторов, изготовленных из углеродистой стали, изнашиваются на 0,35...0,40 мм, а стенки цилиндров из ванадиевой стали, работавших в тех же условиях, – лишь на 0,1 мм. 

Физические  и химические свойства: 

Ванадий имеет  объемноцентрированную кубическую решетку с периодом а=3,0282Å. В чистом состоянии Ванадий ковок, легко  поддается обработке давлением. Плотность 6,11 г/см3; tпл 1900°С, tкип 3400°С; удельная теплоемкость (при 20-100°С) 0,120 кал/г·град; термический коэффициент линейного расширения (при 20-1000°С) 10,6·10-6 град-1; удельное электрическое сопротивление при 20°С 24,8·10-8ом·м (24,8·10-6 ом·см); ниже 4,5 К Ванадий переходит в состояние сверхпроводимости. Механические свойства Ванадия высокой чистоты после отжига: модуль упругости 135,25 н/м2 (13520 кгс/мм2), предел прочности 120 мн/м2 (12 кгс/мм2), относительное удлинение 17%, твердость по Бринеллю 700 мн/м2 (70 кгс/мм2). Примеси газов резко снижают пластичность Ванадия, повышают его твердость и хрупкость.  

Химические свойства Ванадия. При обычной температуре Ванадий не подвержен действию воздуха, морской воды и растворов щелочей; устойчив к неокисляющим кислотам, за исключением плавиковой. По коррозионной стойкости в соляной и серной кислотах Ванадий значительно превосходит титан и нержавеющую сталь. При нагревании на воздухе выше 300°С Ванадий поглощает кислород и становится хрупким. При 600-700°С Ванадий интенсивно окисляется с образованием оксида V2O5, а также и низших окислов. При нагревании Ванадия выше 700°С в токе азота образуется нитрид VN (tкип 2050°С), устойчивый в воде и кислотах. С углеродом Ванадий взаимодействует при высокой температуре, давая тугоплавкий карбид VC (tпл 2800°С), обладающий высокой твердостью.  

Ванадий дает соединения, отвечающие валентностям 2, 3, 4 и 5; соответственно этому известны оксиды: VO и V2O3 (имеющие  основной характер), VO2 (амфотерный) и V2O5 (кислотный). Соединения 2- и 3-валентного Ванадия неустойчивы и являются сильными восстановителями. Практическое значение имеют соединения высших валентностей. Склонность Ванадий к образованию соединений различной валентности используется в аналитической химии, а также обусловливает каталитические свойства V2О5. Оксид Ванадия (V) растворяется в щелочах с образованием ванадатов. 

ванадий по внешнему виду похож на сталь, это достаточно твердый, но вместе с тем пластичный металл. Температура плавления 1920°C, температура кипения около 3400°C, плотность 6,11 г/см3. Кристаллическая решетка кубическая объемно центрированная, параметр а = 0,3024 нм.  

 Химически  ванадий довольно инертен. Он  стоек к действию морской воды, разбавленных растворов соляной,  азотной и серной кислот, щелочей.  С  кислородом (O) ванадий образует несколько оксидов: VO, V2O3, V3O5, VO2,V2O5. Оранжевый V2O5 — кислотный оксид, темно-синий VO2 — амфотерный, остальные оксиды ванадия — основные. С галогенами ванадий образует галогениды составов VX2 (X = F, Cl, Br, I), VX3, VX4 (X = F, Cl, Br), VF5 и несколько оксогалогенидов (VOCl, VOCl2, VOF3 и др.).  

 Соединения  ванадия в степенях окисления  +2 и +3 — сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют  свойства окислителей. Известны  тугоплавкий карбид ванадия VC (tпл = 2800°С), нитрид ванадия VN, сульфид ванадия V2S5, силицид ванадия V3Si и другие соединения ванадия.  

 При взаимодействии V2O5 с основными оксидами образуются  ванадаты — соли ванадиевой  кислоты вероятного состава H2[O(V2O5)2.5].  

История открытия: ванадий открыт в 1801 году мексиканским минералогом А. М. Дель Рио как примесь в свинцовой руде из рудника в Зимапане. Новый элемент Дель Рио назвал эритронием (от греческого erythros — красный) из-за красного цвета его соединений. Однако впоследствии он решил, что им обнаружен не новый элемент, а разновидность хрома (Cr), открытого четырьмя годами ранее и еще почти не изученного. В 1830 мексиканским минералом занялся немецкий химик Ф. Велер, однако, отравившись фтористым водородом, он на несколько месяцев прекратил исследования. В том же году шведский химик Н. Сефстрем обратил внимание на наличие в железной руде примеси, в которой наряду с известными элементами оказалось какое-то новое вещество. В результате анализа в лаборатории Й. Берцелиуса было доказано, что открыт новый элемент. Этот элемент образует соединения с красивой окраской, отсюда и название элемента, связанное с именем скандинавской богини красоты Ванадис. В 1831 Велер доказал тождественность эритрония и ванадия, но за элементом сохранилось название, данное ему Сефстремом и Берцелиусом.  

Нахождение в  природе: в природе ванадий в  свободном виде не встречается, относится  к рассеянным элементам. Содержание ванадия в земной коре 1,6·10–2% по массе, в воде океанов 3.10–7%. Важнейшие  минералы: патронит V(S2)2, ванадинит Pb5(VO4)3Cl и некоторые другие. Основной источник получения ванадия — железные руды, содержащие ванадий как примесь.  

Ванадий – самый  редкий представитель черных металлов. Главная область применения ванадия  – производство марочных чугунов  и сталей. Добавка ванадия обеспечивает высокие характеристики титановых сплавов для аэрокосмической промышленности. Он широко используется также в качестве катализатора при получении серной кислоты. В природе ванадий встречается в составе титаномагнетитовых руд, редко фосфоритов, а также в урансодержащих песчаниках и алевролитах, где его концентрация не превышает 2%. Главные рудные минералы ванадия в таких месторождениях – карнотит и ванадиевый мусковит-роскоэлит. Значительные количества ванадия иногда присутствуют также в бокситах, тяжелых нефтях, бурых углях, битуминозных сланцах и песках. Ванадий обычно получают как побочный продукт при извлечении главных компонентов минерального сырья (например, из титановых шлаков при переработке титаномагнетитовых концентратов, или из золы от сжигания нефти, угля и т.д.). 

В чистом виде ванадий  – металл светло-серого цвета. Он почти в полтора раза легче железа, плавится при температуре 1900±25°C, а температура его кипения 3400°C. При комнатной температуре в сухом воздухе он довольно пассивен химически, но при высоких температурах легко соединяется с кислородом, азотом и другими элементами. 

Соединения ванадия  применяют в химической промышленности как катализаторы, в сельском хозяйстве  и медицине, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото и кинопромышленности. Соединения ванадия ядовиты. Отравление возможно при вдыхании пыли, содержащей соединения ванадия Они вызывают раздражение дыхательных путей, лёгочные кровотечения, головокружения, нарушения деятельности сердца, почек. 

 Общие мировые  промышленные запасы ванадия  в рудах (в пересчете на V205) составляют около 28 млн. тонн, а прогнозные оцениваются в  100 млн. тонн, что при достигнутом  уровне использования способно  удовлетворять мировые потребности  в течение 700 лет. Наибольшие запасы (около 65 %) сосредоточены в осадочных месторождениях — битуминозных сланцах, сырой нефти и нефтеносных песках, фосфатных породах. В настоящее время ванадий в основном извлекают из титаномагнетитовых, а также ильменит-магнетитовых руд, но и запасы титаномагнетитов могут обеспечить потребности промышленности в ванадии на сотни лет. Тем не менее роль техногенного сырья (продукты нефтепереработки, шлаки, золы) для его получения непрерывно возрастает. 

 Богатый источник  металлов, в первую очередь ванадия и никеля, — нефть. Содержание ванадия в нефти колеблется в пределах 10,2-10,5 %, а никеля — на порядок меньше. В 1 т нефти тяжелых сортов может содержаться до 300 г ванадия и около 40 г никеля. В битумах эти показатели в 7-10 раз больше. Преобладающая часть (иногда до 98 %) ванадия, присутствующего в сырой нефти, аккумулируется в получаемых после перегонки нефтяных остатках. 

 В процессе  нефтепереработки ванадия и никеля, как и другие тяжелые металлы,  переходят в тяжелые высокотемпературные фракции, прежде всего в мазуте, в котором их концентрация возрастает в десятки раз. Тяжелые фракции сжигают на ТЭС, при этом их органическая часть сгорает, а неорганическая оседает на поверхностях котлоагрегатов и газовых трактов. В результате содержание ванадия в золошлаковых отходах (ЗШО) ТЭС возрастает до 20-40 %, а никеля — до 5-12 %. 

 Таким образом,  в нефти заключены значительные  запасы ванадия, что позволит  в ближайшем будущем расширить  сырьевую базу его производства. По-видимому, наиболее заметную роль будет играть ванадий содержащая нефть Венесуэлы, а также нефть некоторых месторождений Ирана, Кувейта и Саудовской Аравии, в 1 т которой содержится 20-180 г ванадия. По предварительным оценкам, разведанные в России запасы нефти содержат 7-10 млн. тонн ванадия. 

 По микроэлементному  составу нефтей и их фракций  накоплен обширный материал. Гораздо  меньше сведений имеется о  том, в каких формах эти элементы  существуют в нефти и какова  структура содержащих их соединений. До сих пор достоверно не  выяснена точная химическая структура ни одного нефтяного вещества, содержащего микроэлемент, за исключением порфириновых комплексов ванадила и никеля. 

 Порфирины  представляют собой широко распространенные  в живой природе пигменты, в  основе молекул которых лежит порфинструктура из четырех колец пиррола (например, биологически важные комплексы порфирина с железом — гемоглобин, с магнием — хлорофилл). Порфирины обнаружены в нефти, битумах и ископаемых органических остатках. 

 При переработке  битуминозных сланцев, нефтеносных песков, фосфатных пород металл накапливается в различных отходах: шлаках, шламах, золах, складируемых в огромных количествах в непосредственной близости от перерабатывающих предприятий. В последнее время накопители промышленных отходов некоторых металлургических предприятий с полным основанием могут рассматриваться в качестве техногенных месторождений, которые уже сегодня становятся важными источниками сырья, в частности ванадиевого. 

 Особо следует  отметить, что растворимые и пылевые  формы ванадия, содержащиеся в отходах и промежуточных продуктах ванадиевого и ряда других производств, представляют серьезную экологическую опасность. Соединения ванадия токсичны, они могут поражать органы дыхания, пищеварения, кровеносную и нервную системы, а также вызывать воспалительные и аллергические заболевания кожи. 

В России ванадий  впервые был найден в Ферганской долине у перевала Тюя-Муюн (в переводе с киргизского – Верблюжий  горб). Из этих руд «Ферганское общество по добыче редких металлов» извлекало  в небольших количествах соединения ванадия и урана и продавало их за границу. Большую же часть ценных компонентов руды, в том числе радий, извлекать не умели. Только после установления Советской власти богатства Тюя-Муюна стали использоваться комплексно. 

Позднее ванадий обнаружили в керченских железных рудах, и было налажено производство отечественного феррованадия. Богатейшими источниками ванадия оказались уральские титаномагнетиты. Вместе с керченской рудой они освободили нашу промышленность от необходимости ввоза ванадия из-за рубежа. В 1927 г. ванадий был обнаружен в Сулейман-Сае, около нынешнего г. Джамбула. В наши дни поставщиками ванадия стали также месторождения центрального Казахстана, Киргизии, Красноярского края, Оренбургской области. В горе Качканар на Урале заключено 8 млрд т железной руды, и разработка ее началась лишь в 60-е годы. Руда эта беднее, и... ценнее руд всемирно известных железных гор – Высокой и Благодати, потому что из недр Качканара добывается не только железо, но и ванадий

Получение  ванадия  

Из ванадийсодержащих  руд (или их концентратов) ванадий  извлекают либо непосредственным выщелачиванием растворами кислот и щелочей, либо выщелачиванием продукта окислительного обжига (в  смеси с поваренной солью) водой  или разбавленными кислотами. Из растворов путем гидролиза выделяют оксид ванадия (V) V2O5, который используют для выплавки феррованадия, а также производства металлического ванадия. 

Ванадийсодержащие железные руды перерабатывают на сталь  с получением ванадиевых шлаков. Шлаки  подвергают обжигу в смеси с NaCl. Обожженный продукт выщелачивают водой, а затем слабыми сернокислыми растворами, после чего получают технический оксид ванадия (V). 

Металлический ванадий получают либо непосредственным восстановлением оксида (V), либо в  две стадии, т. е. сначала восстанавливают оксиды (V) до низшего оксида с использованием одного восстановителя, а затем низший оксид — до металла другим восстановителем.