Vanadium là gì? - Nguồn gốc và quy trình sản xuất

Vanadium là gì? - Nguồn gốc và quy trình sản xuất

Vanadium (V) - kim loại chuyển tiếp quý hiếm, đang trở thành vật liệu chiến lược trong ngành luyện kim, pin năng lượng và xúc tác công nghiệp.
Để sản xuất vanadium kim loại tinh khiết, người ta phải trải qua chuỗi quy trình phức tạp gồm khai thác - tinh luyện - hoàn nguyên, trong đó nguồn quặng và hóa chất tách chiết đóng vai trò then chốt.

Bài viết này sẽ phân tích chi tiết: “Những loại quặng chứa vanadium phổ biến và các hóa chất được dùng để chiết tách, tinh chế, và khử oxit vanadi”, giúp người đọc hiểu sâu cơ chế phản ứng và quy trình thực tế trong công nghiệp.

1. Nguồn quặng chứa Vanadium phổ biến

Vanadium tồn tại trong hơn 60 loại khoáng vật khác nhau, nhưng công nghiệp hiện nay tập trung khai thác ba nhóm chính:

a. Quặng titanomagnetite (Fe₃O₄·V₂O₅)

• Là nguồn khai thác chủ yếu ở Trung Quốc, Nga, Nam Phi.

• Quặng chứa 0,3 - 1,5% vanadium dưới dạng oxit.

• Thường được nấu chảy bằng coke và Na₂CO₃ để tạo NaVO₃ hòa tan, tách khỏi sắt và titan.

b. Quặng patronite (VS₄)

• Là quặng sulfua tự nhiên, chứa vanadium ở trạng thái +4.

• Được xử lý bằng khử lưu huỳnh và oxy hóa kiểm soát để chuyển thành V₂O₅.

c. Tro dầu mỏ và tro đốt than chứa vanadium

• Phát sinh từ dầu nặng hoặc nhiên liệu hóa thạch giàu vanadyl porphyrin.

• Đây là nguồn vanadium thứ cấp quan trọng trong công nghiệp hiện đại.

• Sau khi hòa tan trong H₂SO₄ hoặc NaOH, vanadium được tách ra dưới dạng vanadat.

2. Các hóa chất chính được sử dụng trong sản xuất Vanadium

(1) Sodium carbonate – Na2CO3 (Xoda)

• Vai trò: chất kiềm hóa và tạo phức hòa tan.

• Khi nung với quặng titanomagnetite, phản ứng: V2O5+Na2CO3→2NaVO3+CO2↑

• Tạo NaVO₃ tan trong nước, giúp chiết tách vanadium ra khỏi nền quặng.

(2) Axit sulfuric - H2SO4

• Dùng để hòa tách vanadat trong giai đoạn rửa quặng.

• Tạo môi trường axit mạnh giúp tách sắt, nhôm, titan ra khỏi dung dịch vanadium.

• Phản ứng: 2NaVO3+H2SO4→V2O5↓+Na2SO4+H2O

• H₂SO₄ kỹ thuật (≥98%) được sử dụng rộng rãi, dễ mua trên thị trường.

(3) Amoniac - NH3 (hoặc dung dịch NH4OH)

• Dùng để kết tủa muối amoni vanadat (NH₄VO₃) từ dung dịch chứa ion VO₃⁻.

• Đây là bước quan trọng trong tinh chế, vì NH₄VO₃ dễ lọc và khi nung sẽ phân hủy sạch. 2NH4VO3→V2O5+2NH3↑+H2O↑

• Dung dịch NH₄OH 25–28% là loại phổ biến trong công nghiệp.

(4) Nhôm bột (Al) – Chất khử aluminothermic

• Dùng trong giai đoạn hoàn nguyên V₂O₅ thành vanadium kim loại. 3V2O5+10Al→6V+5Al2O3

• Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, cần kiểm soát chặt chẽ.

• Nhôm bột tinh khiết ≥99% thường được nhập khẩu từ Trung Quốc, Đức.

(5) Canxi kim loại (Ca)

• Là chất khử mạnh hơn nhôm, dùng khi muốn thu vanadium có độ tinh khiết cao hơn. V2O5+5Ca→2V+5CaO

• Phản ứng tiến hành trong môi trường chân không hoặc khí trơ để tránh oxy hóa lại.

(6) Axit oxalic - H2C2O4

• Dùng trong tinh chế dung dịch vanadat bằng cách khử Fe³⁺ và Mn⁴⁺ về dạng tan.

• Giúp tăng độ tinh khiết của sản phẩm NH₄VO₃ kết tủa.

(7) Axit nitric – HNO₃

• Dùng trong hòa tách tro dầu chứa vanadium, tạo phức VO(NO₃)₂ tan.

• Giúp tách vanadium ra khỏi hợp chất hữu cơ và kim loại nặng.

(8) Than cốc (Coke)

• Dùng trong giai đoạn nấu quặng titanomagnetite, làm chất khử sơ cấp. V2O5+5C→2V+5CO↑

• Giúp giảm hàm lượng oxit trước khi tinh luyện.

3. Quy trình tóm tắt sản xuất Vanadium từ quặng titanomagnetite

• Nung quặng với Na₂CO₃ và than cốc → tạo NaVO₃.
• Rửa và hòa tách bằng nước nóng → thu dung dịch chứa vanadat.
• Axit hóa bằng H₂SO₄ → tạo dung dịch VO₃⁻ tinh khiết.
• Kết tủa bằng NH₃ → thu NH₄VO₃.
• Nung NH₄VO₃ → thu V₂O₅ (vanadi(V) oxit).
• Hoàn nguyên V₂O₅ bằng Al hoặc Ca → thu vanadium kim loại.

Cơ chế tách - khử - tinh chế Vanadium

• Giai đoạn 1: Oxy hóa và hòa tách
  Dưới tác dụng của kiềm hoặc axit, vanadium trong quặng được chuyển sang dạng vanadat (VO₃⁻) tan trong dung dịch.

• Giai đoạn 2: Kết tủa chọn lọc
  Sử dụng NH₃ để kết tủa NH₄VO₃, giúp loại bỏ tạp chất kim loại khác.

• Giai đoạn 3: Hoàn nguyên oxit
  Dưới tác dụng của Al hoặc Ca, V₂O₅ bị khử thành V kim loại.
  Đây là giai đoạn tỏa nhiệt mạnh và quyết định chất lượng vanadium thành phẩm.

4. Xu hướng công nghiệp hiện nay

Các nhà sản xuất đang nghiên cứu:

• Tận dụng nguồn tro dầu và xỉ thép chứa vanadium để tái chế.

• Thay thế Na₂CO₃ bằng NaOH nhằm tăng hiệu suất hòa tan.

• Sử dụng điện phân nóng chảy (electrolysis) để thu vanadium tinh khiết hơn, giảm ô nhiễm môi trường.

Nguồn nguyên liệu và hóa chất dùng trong sản xuất vanadium là trái tim của chuỗi công nghiệp kim loại quý hiếm.
Từ quặng titanomagnetite tự nhiên đến các hóa chất như Na₂CO₃, NH₃, H₂SO₄, Al, Ca, mỗi giai đoạn phản ánh sự giao thoa giữa hóa học vô cơ và kỹ thuật luyện kim hiện đại.

Việc tối ưu quy trình, chọn hóa chất phù hợp và tái chế nguyên liệu đang giúp vanadium trở thành kim loại bền vững, thân thiện môi trường và giàu tiềm năng ứng dụng nhất thế kỷ 21.

Quý khách có nhu cầu tư vấn về các nguyên liệu sản suất Vanadium, hãy liên hệ ngay số Hotline 086.818.3331 - 0972.835.226. Hoặc truy cập trực tiếp website tongkhohoachatvn.com để được tư vấn và hỗ trợ trực tiếp từ hệ thống các chuyên viên.