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2.2 Vanadium
Vanadium (V) wird im Periodensystem der Elemente (PSE) mit der Ordnungszahl 23 geführt. Gemeinsam mit den Elementen Niob (Nb, 41), Tantal (Ta, 73) und Dubnium (Db, 105) vervollständigt es die 5. Gruppe (3. Nebengruppe) des PSE und ist darüber hinaus namensgebend für diese Gruppe (vgl. (Felixberger 2017)). Gediegenes Vanadium ist ein weiches, duktiles und stahlgraues Metall mit einer Dichte von 6,11 g/cm3 (vgl. (Nordberg 2007)) und kann demnach auch der nicht standardisierten Gruppe der Schwermetalle (vgl. (Duffus 2002)) zugeordnet werden. Vanadium gehört mit einer durchschnittlichen Konzentration von rund 93 mg/ kg zu den häufigeren Elementen der Erdkruste und kommt häufiger vor als Kupfer, Zink oder Chlor (vgl. (Allègre et al. 2001), (McDonough und Sun 1995)). Unterhalb einer Sprungtemperatur von 5,13 K (-268,02 °C) wird Vanadium zum Supraleiter und weist auch in Legierungen mit anderen Elementen, wie z. B. Gallium, Niob und Zirkonium, supraleitende Eigenschaften auf (Sicius 2016). Das Element zeichnet sich weiterhin durch die Affinität zur Komplexbildung, gute Eigenschaften als Katalysator sowie durch die Fähigkeit, verschiedene Oxidationsstufen einzunehmen aus (MacNaught und Wilkinson 1997). Die acht elektrochemischen Wertigkeiten, die das Element in seinen Verbindungen dabei erreichen kann, liegen zwischen V5+ und V3-, wobei die Stufen V3+, V4+ und V5+ am stabilsten und V4+ und V5+ am häufigsten sind (vgl. (Mortimer et al. 2015), (Sicius 2016), (Nordberg 2007), (Watt et al. 2018)). Diese Eigenschaft ist insbesondere für die Nutzung des Elements im Bereich der in Kapitel 2.3.1 näher erläuterten VRFB relevant. Für weitere spezifische physikalische, chemische und toxikologische Eigenschaften des Elements wird auf die Standardliteratur verwiesen (vgl. (Bauer et al. 2012), (Mortimer et al. 2015), (Sicius 2016), (Nordberg 2007)). Zu Hintergründen des komplexen Verhaltens von Vanadiumverbindungen in biotischen Systemen und biogeochemischen Milieus wird auf (Crans et al. 2004) verwiesen.
Das Metall kommt aufgrund seiner hohen Reaktivität in der Natur nicht gediegen, sondern nur in chemisch gebundener Form vor. Es sind insgesamt ca. 65 vanadiumführende Minerale bekannt, die jedoch relativ selten vorkommen. Zu den wichtigsten Vanadiummineralien zählen Coulsonit in Magnetit, Montroseit, Tujamunit, Vanadinit und Carnotit (vgl. (Sicius 2016), (Pohl und Petrascheck 2005), (Neukirchen und Ries 2014)). Eine Übersicht zu den wichtigsten vanadiumhaltigen Erzmineralen ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Vanadiumminerale, nach (Pohl und Petrascheck 2005), (Neukirchen und Ries 2014)
| Mineral | Formel | V-Gehalt in Gew.-% |
| Coulsonit in Magnetit | FeV2O4 in Fe3O4 | Bis 2,8 |
| Montroseit | (V,Fe)OOH | 42 |
| Tujamunit | Ca[(UO2)2|V2O8]·5–8H2O | 20 |
| Carnotit | K2[(UO2)2|V2O8]·3H2O | 20 |
| Heute keine wirtschaftliche Verwendung mehr | ||
| Vanadinit | Pb5[Cl|(VO4)3] | 19 |
| Patronit | VS4 | 28 |
Vanadium wird durch eine Vielzahl von Quellen in die Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre emittiert und findet sich auch in lebenden Organismen. Im Meerwasser ist das Element beispielsweise überwiegend als Vanadat (H2VO4-) vorzufinden und kommt dort sogar zweimal häufiger vor als Eisen. Das Metall ist zudem für viele Lebewesen als Sauerstoffträger und Spurenelement essenziell. In der Trockenmasse von Seegurken Holothuroidea werden bis zu 1,15 Gew.-% Vanadium nachgewiesen. Der geochemische Charakter von Vanadium kann als sidero- als auch biophil angesehen werden (Pohl und Petrascheck 2005).
Geogene Quellen für die Emissionen von Vanadium in die Biosphäre sind vor allem die Verwitterung von Böden, marine Aerosole und vulkanische Aktivität. Ein idealisiertes Schaubild stellt die geogenen Vanadiumreservoire auf der Erde dar.
Abbildung 1 Geogene Vanadiumreservoire, eigene Darstellung, Daten nach (Huang et al. 2015a) und (Hope 2008)
Anthropogen begründete Vanadiumemissionen (Input) bezeichnet sind Prozessen der Petrochemie, Energiegewinnung sowie dem Bergbau zuzuordnen. Konkret sind dies insbesondere Stäube, Aerosole und Aschen der Verbrennung fossiler Energieträger Erdöl und Steinkohle sowie Abbau und Verhüttung von Erzen (vgl. (Schlesinger et al. 2017), (Alloway et al. 1996)). So sind insbesondere Raffinerien sowie Feuerungsanlagen fossiler Energierohstoffe wie Kohle und Öl als Hauptquelle für anthropogene Vanadium-Emissionen zu nennen (vgl. (Adriano 2001), (Nriagu und Pacyna 1988)). Ein idealisiertes Schaubild stellt die verschiedenen Vanadiumflüsse in der sowie in die Anthroposphäre dar.
Abbildung 2 Anthropogene Vanadiumflüsse, eigene Darstellung, Daten nach (Schlesinger et al. 2017)
Nach (Viers et al. 2009) hat Vanadium nach Antimon, Cadmium und Nickel den höchsten anthropogen induzierten Anreicherungsfaktor in globalen Fließgewässern und stellt nach der Analyse von (Schlesinger et al. 2017) das insgesamt dominanteste anthropogene Signal in den Umweltkompartimenten dar. (Watt et al. 2018) begründen dies mit einer Vielzahl diffuser Freisetzungen von Vanadium aus dem globalen V-Zyklus als Folge der sich ändernden gesellschaftlichen Anforderungen und verstärkten Nutzung vanadiumhaltiger Stoffströme.
2.2.1 Reserven und Ressourcen
Die bergbauliche Gewinnung von Vanadium aus mineralischen Lagerstätten wird primär lediglich als Koppel- oder Nebenprodukt durchgeführt. Vanadiumhaltige Eisenerze stellen dabei den wichtigsten Primrärrohstoff dar, der vorrangig aus orthomagmatischen Titanomagnetitlagerstätten gewonnen wird. Die unter aktuellen wirtschaftlichen Gegebenheiten hauptsächlich genutzten VTM können den mafischen Gabbroformationen in Südafrika, China, Russland und in Brasilien zugeordnet werden (Buchholz und Foya 2017). Grundsätzlich zählen diese Lagerstätten zu den Eisenerzlagerstätten, Vanadium wird dabei als Koppelprodukt von Eisen gewonnen und wird als Nebenprodukt der Roheisenerzeugung in Form vanadiumhaltiger Schlacke weiterverarbeitet. Den wichtigsten Lagerstättentyp für vanadiumreiche Titanomagnetiterze stellen so genannte Layerd Mafic Intrusions (LMI) dar (vgl. (Cawthorn et al. 2005)), von denen der Bushveld-Komplex in Südafrika die wichtigste und größte Lagerstätte der Welt ist (vgl. (Gruenewaldt et al. 1985), (Eales und Cawthorn 1996)), in dem rund 50 % der globalen Vanadiumreserven vorliegen. (Neukirchen und Ries 2014), (Pohl und Petrascheck 2005)
Ebenso können uranhaltige Sand- bzw. Siltsteine als primäre mineralische Vanadiumrohstoffe bezeichnet werden. Weitere Vorkommen umfassen Elementbeimengungen von Vanadium in eisenreichen Bauxiten, verschiedenen Phosphatgesteinen und Manganerzen. Zu Beginn der industriellen Nutzung des Rohstoffs Anfang der 1900er Jahre wurde Vanadium noch ausschließlich in Peru im Primärbergbau aus organogenem Patronit (VS4) gewonnen, wobei Minasraga in Peru eine Typlokalität des Erzminerals darstellt (vgl. (Hillebrand 1907)) und seit Mitte des 20. Jahrhunderts bereits keine Bedeutung mehr spielt. (Pohl und Petrascheck 2005), (Neukirchen und Ries 2014), (Bauer et al. 2012)
Neben den dargestellten mineralischen Vorkommen ist Vanadium auch in kohlenstoffhaltigen fossilen Rohstoffen enthalten, die in der Energiewirtschaft und der Petrochemie Verwendung finden. Erdöl, Steinkohle, Öl- und Schwarzschiefer sowie Öl- und Teersande enthalten je nach spezifischer Lagerstätte metallorganische Vanadiumkomplexe (Moskalyk und Alfantazi 2003). Diese werden als Störstoff im Rohöldestillationsprozess aufkonzentriert und reichern sich in spezfischen Nebenprodukten sowie prozesstechnisch auf Katalysatoroberflächen an. Eine direkte Gewinnung von Vanadium aus konventionellen und unkonventionellen Erdöllagerstätten existiert in der industriellen Praxis nicht. Wirtschaftliche Relevanz im Hinblick auf eine Gewinnung des Metalls aus Erdöl erlangen erst Rückstände der Destillation (vgl. Kapitel 4.2.7) sowie Rückstände aus der thermischen Verwertung von Rohöl und Raffineriereststoffen, in denen Vanadium akkumuliert wird (vgl. Kapitel 0). Somit kann Vanadium grundsätzlich als Begleitmetall der Erdöldestillation und der Eisenerzgewinnung charakterisiert werden.
Tabelle 2: Geogene Vanadiumprimärrohstoffe
| Metallisch-mineralische Rohstoffe | Fossile Energierohstoffe |
| orthomagmatische V-Ti-Fe-Erze (VTM) | Erdöl |
| sandsteingebundene Uranlagerstätten | Ölschiefer, Schwarzschiefer |
| sedimentäre Phosphatlagerstätten | Bituminöse Teer-/Ölsande |
| Bauxit- und Manganerze | Steinkohle |
| Hydrothermale Pb-Zn-Cu-Gänge |
Nachfolgend sind die aktuell global bekannten Ressourcen und Reserven und die Anteile der jeweiligen Förderländer in Abbildung 3 dargestellt. Etwa 98 % der aktuellen weltweiten Vanadiumreserven wird den Titanomagnetiten zugeordnet (Zheng et al. 2017). Eine Definition der Anteile der geogenen Primärrohstoffe an den Reserven ist auf Grundlage der von (U.S. Geological Survey 2020) veröffentlichten Daten nicht möglich. Gleiches gilt auch für die Daten aus (Buchholz und Foya 2017) zur weiteren Differenzierung der Ressourcen. Da Vanadium meist als Koppelprodukt abgebaut wird und zudem als Neben- oder Co-Produkt gewonnen wird, sind die nachgewiesenen Ressourcen des Elements kein vollständiger Indikator für die verfügbaren Vorräte (U.S. Geological Survey 2020).
Abbildung 3 Globale Vanadiumressourcen und Vanadiumreserven, eigene Darstellung nach Daten Ressourcen (Buchholz und Foya 2017), Daten Reserven (U.S. Geological Survey 2020)
Die Förderung von Vanadium aus primären geogenen Lagerstätten und die Gewinnung aus Primärrohstoffen betrug 2019 laut (U.S. Geological Survey 2020) 73.470 t/a. Die Statistik umfasst die aus Erz (Primär) sowie Schlacke (Co-Produkt) produzierte Menge an Vanadium. Nachfolgende Tabelle listet die Länder, in denen aktuell Rohstoffe im Hinblick auf eine Gewinnung von Vanadium gefördert werden, absteigend nach ihrer Produktionsmenge auf.
Tabelle 3: Vanadiumproduktion 2019 nach Ländern, Daten nach (U.S. Geological Survey 2020)
| Produktionsland | Hauptrohstoff | Produktionsmenge V [t/a] | Anteil [%] |
| China | Schlacke | 40 000 | 54,4 |
| Russland | Schlacke | 18 000 | 24,5 |
| Südafrika | Schlacke | 8 000 | 10,9 |
| Brasilien | Titanomagnetit | 7 000 | 9,5 |
| USA | Carnotit | 470 | 0,6 |
| Gesamt | 73 470 |
Die Produktion von Vanadium aus Steinkohle wird in China eingesetzt und kann kurzfristig hoch- und heruntergefahren werden. Meist findet ein Einsatz nur statt, wenn hohe Nachfrage besteht, da die Produktion teuer ist und mit hohen Umweltbelastungen einhergeht. (Wong und Hackney 2019) Der überwiegende Teil des produzierten Vanadiums hat seinen Ursprung in vanadiumhaltigen Titanomagnetiten. Die übrigen Mengen werden der Sekundärproduktion aus Alt-Katalysatoren des Erdölraffinationsprozesses und der Rauchgasreinigung, Verbrennungsrückständen von Kohle, Erdöl sowie Raffinationsreststoffen (vgl. (Kelley et al. 2017)) zugewiesen. Diese Menge wird in (U.S. Geological Survey 2020) nicht explizit ausgewiesen. (Wu et al. 2018) schätzen, dass rund 90 % des weltweit produzierten Vanadiums direkt oder als Co-Produkt den VTM zuzuordnen ist. Dies deckt sich mit den verfügbaren Branchenangaben von (TMT 2019), (Guthrie 2020) und (Bushveld Minerals 2020), weshalb rund 10 % der gesamten Vanadiumproduktion aus Sekundärrohstoffen angenommen werden können. Dennoch sind die Daten zu Produktionskapazität, Verbrauch und Nachfrage nicht eindeutig in der Literatur beschrieben und unterscheiden sich in Detailtiefe und den angegebenen Mengen. Die Daten des USGS stellen neben den jährlich veröffentlichten World-Mining-Data des österreichischen Bundesministeriums für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus (BMLRT) (vgl. (Reichl et al. 2019) die einzige behördliche Datenbasis dar. Weitere Daten werden durch privatwirtschaftliche Unternehmen veröffentlicht (vgl. (TMT 2019), (Guthrie 2020) und (Bushveld Minerals 2020)), die auch in der wissenschaftlichen Literatur Verwendung finden. Insbesondere die quantitative Einteilung der Produktion in unterschiedliche Verfahren findet sich nur in Veröffentlichungen von (Beratungs-)Unternehmen. Auch wenn die behördlichen Daten eine vermeintlich größere Belastbarkeit und Unabhängigkeit aufweisen, sind die privatwirtschaftlichen Daten aktueller und bieten teils spezifischere Angaben und Detailinformationen. Beide Datenoptionen werden im Rahmen dieser Dissertation nach eingehender Prüfung auf Plausibilität und Belastbarkeit genutzt, um ein möglichst umfassendes Bild der Situation zu erlangen. Daraus ergibt sich die folgende Momentaufnahme der Vanadiumproduktions- und Verbrauchsmengen:
Tabelle 4: Vanadiumproduktion und Verbrauch 2019, Daten (Guthrie 2020)2, (U.S. Geological Survey 2020)1
| Primär- und Co-Produkt | Sekundär | Gesamt | ||
| Produktionsmenge | [t/a] | 73 4701 | 8 163 | 81 633 |
| Verbrauchsmenge | [t/a] | 97 700 2 | ||
| China | 49 8002 | |||
| Nordamerika | 12 2502 | |||
| Europa | 13 2502 | |||
| Asien | 7 8002 | |||
| Sonstige | 14 6002 |
Südafrika, China und Russland dominieren die aktuelle Gewinnung von Vanadium mit rund 90 % der jährlich produzierten Menge. Zudem lassen sich den genannten Ländern 82 % der weltweiten Vanadiumreserven zuordnen. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Entwicklung der Fördersituation (Primär- und Co-Produkt) in den vergangenen 17 Jahren auf Basis der Daten des USGS Minerals Yearbook.
Abbildung 4 Entwicklung der Vanadiumproduktion (Co-Produktion und Primärproduktion), eigene Darstellung nach Daten (U.S. Geological Survey 2000-2020)
Eine eingehende Stoffstromanalyse im Hinblick auf aktuelle und zukünftige Verwendungszwecke in Verbindung mit den dafür genutzten Vanadiumstoffströmen ist Grundlage für das Stoffstrommodell sowie die Szenarioanalyse. Die Ergebnisse dieser Analyse finden sich aufbereitet in Kapitel 4.
2.2.2 Gewinnung und Verarbeitung
Die industriell eingesetzten Verfahren zur Vanadiumgewinnung und Anwendung sind in umfassenden Reviews von (Gupta und Krishnamurthy 1992), (Moskalyk und Alfantazi 2003), (Gilligan und Nikoloski 2020), (Peng 2019), (Kelley et al. 2017) sowie Übersichten von (Gupta 2002b), (Bauer et al. 2012) und (Sicius 2016) genannt. Die angegebene Literatur stellt in unterschiedlichem Detailgrad und zeitlichen Horizonten Informationen bereit und muss daher im Sinne der durchzuführenden Methode näher ausgewertet werden. Relevant sind insbesondere die Hauptrohstoffe, die aktuell üblichen Produktionsverfahren sowie die Anwendungsbereiche des Vanadiums. Da die Gewinnung von Vanadium aus einer Vielzahl von Rohstoffen möglich ist, müssen diese Rohstoffe näher kategorisiert werden.
Per Definition gilt ein Rohstoff als Sekundärrohstoff, wenn er aus Abfällen oder Produktionsrückständen gewonnen wird und Primärrohstoffe ersetzen kann (vgl. (Kosmol et al. 2012)). Diese Definition impliziert, dass dem Abfall ein ökonomischer Wert zugemessen wird, der Sekundärrohstoff als Basis für neue Produkte genutzt werden kann und er zudem durch einen vorherigen anthropogenen Prozess generiert oder überprägt worden sein muss. Die anthropogenen Vanadiumstoffströme lassen sich im Hinblick auf ihre verfahrenstechnische Herkunft in vanadiumhaltige Co-Produkte und Sekundärprodukte unterteilen. Die Co-Produkte stellen letztlich primäre Vanadiumstoffströme dar, zu denen alle mineralischen und nicht-mineralischen Rohstoffe zählen, da sie noch keine wirtschaftliche Verwendung in Form eines vanadiumhaltigen Endproduktes erfahren haben bzw. in denen Vanadium noch keine Funktion in einem Produkt erfüllt hat. Sind jedoch nicht als Primärrohstoff zu kategorisieren, da sie nicht einer direkten Entnahme aus der Erdkruste entstammen. Beispiele sind hierfür vor allem Schlacken oder Verbrennungsrückstände, die Vanadium enthalten und bei verschiedenen Produktions- und Aufbereitungsprozessen von Primärrohstoffen anfallen. Vanadiumhaltige Sekundärprodukte, sind als Sekundärrohstoff zu klassifizieren. Nachfolgend werden die grundsätzlichen Prozesse zur Gewinnung und Aufbereitung der vanadiumhaltigen Rohstoffe zu industriell relevanten Zwischen- und Endprodukten beschrieben.
Die Rohstoffförderung der VTM-Erze findet überwiegend im Tagebau statt. Die in Kapitel 2.2.1 als wesentlicher Primärrohstoff identifizierten VTM können in zwei unterschiedlichen Formen zur Vanadiumgewinnung genutzt werden (Kelley et al. 2017). Die erste Option stellt die direkte Verarbeitung des Erzes dar. Voraussetzung für diese für den Rohstoff Vanadium als Primärproduktion zu bezeichnende Variante ist dabei ein möglichst hoher Vanadiumgehalt im abgebauten VTM. Die zweite Option stellt die Gewinnung von Vanadium aus einer bei der Roheisenerzeugung aus VTM anfallenden Vanadiumschlacke dar. Diese Prozessierung wird als Co-Produktion betitelt. Welche der beiden Optionen eingesetzt wird, hängt im wesentlichen von den geochemischen Gegebenheiten im Hinblick auf Vanadiumgehalt im Erz sowie den Eigenschaften des Nebengesteins ab. Als Orientierungswert kann dabei nach (Wu et al. 2018) ein Vanadiumgehalt > 1 Gew.-% V2O5 (Vanadiumpentoxid) im abgebauten VTM gelten, ab dem die direkte Gewinnung aus VTM Relevanz erhält.
Fossile Energierohstoffe stellen ebenfalls relevante Rohstoffe zur Aufbereitung von Vanadium dar. Bei der Verbrennung von fossilen, vanadiumhaltigen Brennstoffen als Primärenergieträger wie Erdöl, Steinkohle oder Petrolkoks in Kraftwerken zur Strom- und Wärmeenergieerzeugung entstehen vanadiumhaltige Rückstände. Je nach V-Ausgangskonzentration der Brennstoffe und der eingesetzten Verfahrenstechnik in den Kraftwerken, schwanken auch die Vanadiumgehalte in den Verbrennungsrückständen. Konkret zählen dazu Flugaschen, Flugstäube sowie Filteraschen, die aus den Abgasen der Verfeuerung resultieren. Weiterhin sind Ablagerungen von komplexen vanadiumhaltigen Oxiden an Heizoberflächen zu nennen, die in Form von Nass-/Kessel- oder Wirbelschichtasche oder Schmelzkammergranulat anfallen. Die Art und chemische Zusammensetzung der Verbrennungsaschen, Rückstände und Schlämme variiert stark und ist von vielen Faktoren wie etwa der Betriebstemperatur, den Brennbedingungen, Brennstoffzusätzen und der Form des Kessels abhängig (vgl. (Akita et al. 1995)). V2O5-Gehalte zwischen 3 % und 27 Gew.-% werden in der Literatur angegeben. (Vitolo et al. 2000), (Slobodin et al. 2001), (Abdel-latif 2002), (Holloway und Etsell 2005), (Stas et al. 2007), (Xiao et al. 2010a)
Neben den genannten Verbrennungsrückständen ist im Bereich der Erdölraffination zudem ein vanadiumhaltiger Stoffstrom im Bereich von Alt-Katalysatoren zu nennen. Die Katalysatoren werden bei der Raffination der Kohlenwasserstoffe eingesetzt, um Elemente wie Schwefel, Nickel und Vanadium zu entfernen und können zur Gewinnung der Metalle genutzt werden. Ebenso stellt der bei der Erdölraffination anfallende Petrolkoks eine vanadiumhaltiges Co-Produkt dar. Bei den Katalysatoren ist eine Unterscheidung zwischen vanadiumhaltigen Katalysatoren, in denen sich während der Raffination von Kohlenwasserstoffverbindungen das dort enthaltene Vanadium auf der Katalysatoroberfläche anlagert, und Vanadiumkatalysatoren, die z. B. in Form von V2O5-Katalysatoren beim Doppelkontaktverfahren zur Schwefelsäureherstellung eingesetzt werden, notwendig. Somit fällt Vanadium in den Katalysatoren der Erdölindustrie als Störstoff an und übernimmt keine katalytische Funktion, während das V2O5 bei der katalytischen Umsetzung von SO2 in SO3 ein explizit eingebrachter Funktionsträger ist. Laut Definition zählen die vanadiumhaltigen Katalysatoren der Petrochemie zu den Co-Produkten und die Alt-Katalysatoren der chemischen Industrie sowie der Entstickung zu den sekundären Vanadiumstoffströmen.
Ein weiteres Verfahren bei dem Vanadium als Nebenprodukt anfällt und aufbereitet werden kann, ist das zur Aluminiumproduktion eingesetzte Bayer-Verfahren. Zudem kann Vanadium aus Schlacken der Ferrophosphorproduktion sowie der Uranerzgewinnung gewonnen werden. Grundsätzlich sind auch mit Vanadium in unterschiedlichen Konzentrationen legierte Stahl- und Titanschrotte zu nennen.
Somit lassen sich die in Tabelle 2 dargestellten geogenen Vanadiumrohstoffe um folgende anthropogene Vanadiumrohstoffe ergänzen.
Tabelle 5: Anthropogene Vanadiumsekundärrohstoffe
| Vanadiumhaltige Co-Produkte | Vanadiumhaltige Sekundärprodukte |
| Vanadiumschlacke | Alt-Katalysatoren der chemischen Industrie |
| Yellowcake | Alt-Katalysatoren der Rauchgasentstickung |
| Ferrophosphor | Stahlschrotte |
| Bayerschlamm aus Bayer-Liquor | Titanlegierungsschrotte |
| Verbrennungsrückstände fossiler Energieträger | Alt-Elektrolyte |
| Alt-Katalysatoren der Petrochemie | |
| Petrolkoks |
Abbildung 5 zeigt die Verteilung der Vanadiumproduktion sowie die Anteile der einzelnen Länder an der Produktionsart für das Jahr 2019. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Anteile Momentaufnahmen der aktuellen Situation darstellen.
Abbildung 5 Vanadiumproduktion nach Rohstoff, eigene Darstellung nach Daten von (Guthrie 2020) und (Bushveld Minerals 2020)
Vanadium ist als Koppel- und Co-Produkt sowie Sekundärrohstoff mit verschiedenen Begleitelementen vergesellschaftet, weshalb umfangreiche Aufbereitungsprozesse erforderlich sind, um den Rohstoff für weitere Verwendungen in der notwendigen Form und Reinheit bereitzustellen. (Gilligan und Nikoloski 2020) sowie (Peng 2019) stellen in aktuellen Reviews den Stand der Technik und Forschung im Bereich der Verfahrenstechnik für Vanadium zusammen. Die konkrete Ausgestaltung des Aufbereitungsprozesses muss individuell auf den zu behandelnden Rohstoff abgestimmt werden.
Gemäß der genannten geogenen und anthropogenen Vanadiumrohstoffe und deren Eigenschaften existieren unterschiedliche Verfahren und Kombinationen. Auch wenn eine Darstellung eines allgemeingültigen Vanadiumgewinnungsprozesses mit Gültigkeit für alle Materialien daher nicht möglich ist, existieren grundlegende gemeinsame Schritte und Verfahren (vgl. (Gilligan und Nikoloski 2020)). Trotz der Heterogenität der unterschiedlichen vanadiumhaltigen Stoffströme und deren jeweiligen spezifischen Verfahren, können grundsätzlich alle Prozesse zur Aufbereitung vanadiumhaltiger Reststoffe aus sekundären Rohstoffen in drei Schritte unterteilt werden. In einem ersten Schritt wird das im Ausgangsmaterial enthaltene Vanadium gelöst, in unterschiedliche Zwischenprodukte überführt und schließlich einer Aufkonzentration und Reinigung unterzogen.
Die prinzipiellen Gewinnungs, Aufbereitungs- und Veredelungsprozesse zur Vanadiumgewinnung umschließen pyro- und hydrometallurgische Verfahren. Dabei stehen speziell die Salzröstung (Salt Roasting) sowie die Säurelaugung (Acid Leaching) im Fokus der aktuellen industriellen Gewinnung von Vanadium. Als Zwischenprodukte fallen Vanadiumpentoxid und Vanadinsäure (Vanadic Acid) an, die in weiteren Reduktionsprozessen, wie der aluminothermischen und silicothermischen Reduktion oder der Kohlenstoffreduktion, zu den eigentlichen Endanwendungen verarbeitet werden. Diese werden vor allem durch Ferrovanadium und diverse Vanadiumlegierungen, -carbide, -carbonitride oder -chemikalien repräsentiert (Goonan 2011). Neben industriell relevanten Zwischenprodukten wie Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Natriummetavanadat (NaVO3) sowie Natriumorthovanadat (Na3VO4), stellen Vanadiumpentoxid (V2O5) und Vanadiumtrioxid (V2O3) die häufigsten industriell prozessierten Vanadiumverbindungen dar (Imtiaz et al. 2015). Industriell verbreitet sind insbesondere die folgenden Prozessschritte.
Röstung (Roasting Process)
Das Vanadium muss durch Oxidation in säure- (V4+) oder wasserlösliche höherwertige Oxidationsstufen (V5+) überführt, um dann durch Säurelagung sowie Wasserauswaschung extrahiert werden zu können. (Peng 2019) Als häufig eingesetztes pyrometallurgisches Verfahren in Vanadiumgewinnungsprozessen kommt daher der Röstprozess (engl. Roasting) zum Einsatz. Das Rösten umfasst die Erhitzung der Erze unter Gastatmosphäre mit dem Ziel der Überführung von im Erz enthaltenen Metallverbindungen in Oxide, Sulfate oder in Chloride. Unabhängig von den eingesetzten Zusatzstoffen (siehe nächster Absatz), gehören Röstverfahren zu den Standardprozessen in der metallurgischen Verfahrenstechnik, weshalb zu weiteren Hintergrundinformationen auf die Standardliteratur verwiesen wird (vgl. (Haldar 2018), (Rao 2006)). Röstprozesse werden sowohl bei vanadiumhaltigen Erzen, Erzkonzentraten, als auch bei vanadiumführenden Reststoffen, wie Schlacken, Flugaschen und gebrauchten Katalysatoren, angewendet.
