L’Élémentarium
L’attribution de la découverte du vanadium reste en débat. En effet, il semblerait qu’il ait été découvert il y a plus de 200 ans par le baron allemand A. von Humbolt. Cependant, ses échantillons et ses notes ayant sombré lors du naufrage de son bateau, aucune preuve ne subsiste. Il faudra attendre 1831 et le suédois Nils Selfström pour avoir des preuves de l’existence de ce métal. On lui doit également son nom, de Vanadis qui est la déesse scandinave de la beauté et de la fertilité.
| Numéro atomique | Masse atomique | Configuration électronique | Structure cristalline | Rayon métallique pour la coordinence 12 |
| 23 | 50,94 g.mol-1 | [Ar] 3d3 4s2 | cubique centrée de paramètre a = 0,302 nm | 134,6 pm |
| Masse volumique | Dureté | Température de fusion | Température d’ébullition | Conductibilité électrique | Conductibilité thermique | Solubilité dans l’eau |
| 5,96 g.cm-3 | 6,7 | 1 890°C | 3 380°C | 4,89.106 S.m-1 | 30,7 W.m-1.K-1 | insoluble |
| Électronégativité de Pauling | pKs : VO2(OH) | |
| 1,63 | 14,7 |
pKa :
| V3+aq/VOH2+aq | pKa = 2,9 |
| VOH2+aq/V(OH)2+aq | pKa = 3,5 |
| VO2+aq/VOOH+aq | pKa = 5,4 |
| VO3–/HVO42- | pKa = 8 |
Potentiels standards :
| VO2+ + 2H+ + e = VO2+ + H2O | E° = 0,999 V |
| VO2+ + 4H+ + 5e = V(s) + 2H2O | E° = -0,25 V |
| HV6O173- + 16H2O + 30e = 6V(s) + 33OH– | E° = -1,15 V |
| VO2+ + 2H+ + e = V3+ + H2O | E° = 0,34 V |
| V3+ + e = V2+ | E° = 0,255 V |
| V2+ + 2e = V(s) | E° = -1,2 V |
Vanadium cristallisé
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Vanadium gazeux
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La teneur en vanadium (V) de l’écorce terrestre est de 0,016 %.
Le vanadium, est le plus souvent récupéré à partir de titanomagnétites vanadifères qui peuvent renfermer jusqu’à 3 % de V2O5. Dans les titanomagnétites, le titane se substitue au fer de la magnétite pour donner un oxyde mixte de formule Fe3-xTixO4.
Par exemple :
Lorsque la teneur en oxyde de vanadium est supérieure à 1-1,5 %, le minerai peut être traité directement pour le récupérer, cela est le cas en Afrique du Sud et en Chine et donne, en 2021, 18 % de la production mondiale de vanadium. Pour des teneurs inférieures, l’oxyde de vanadium est extrait du laitier obtenu lors de l’utilisation des minerais de titanomagnétite vanadifère pour élaborer de l’acier, cela est le cas, en Chine, en Nouvelle Zélande et en Russie dans 14 aciéries et donnent, en 2021, 70 % de la production mondiale de vanadium. Les 12 % restant sont fournis par le recyclage de matériaux usés.
La concentration des minerais renfermant des titanomagnétites vanadifères est facilitée par leurs propriétés magnétiques mises à profit après broyage.
Du vanadium est également présent dans du charbon, du pétrole, des sables bitumineux et est récupéré dans les cendres après combustion du charbon ou dans les résidus pétroliers, lors de son raffinage. Il est également récupéré lors du recyclage de catalyseurs.
Du vanadium est aussi présent dans des minerais d’alumine (roscoelite) extraits en Inde et dans des minerais d’uranium (carnotite) extraits aux États-Unis qui contiennent de 1 à 5 % de V2O5. Par exemple, la société Energy Fuels a extrait, depuis 1980, 24 494 t de V2O5 lors du traitement de minerais d’uranium dans l’usine de White Mesa, dans l’Utah, aux États-Unis. Cette production est intermittente, elle dépend du cours du vanadium, et actuellement est effectuée sur des solutions de traitement des résidus des exploitations antérieures. Entre 2014 et 2018, cette coproduction a été suspendue pour reprendre en 2019 avec une production de 862 t de V2O5 et être a nouveau arrêtée début 2020 après avoir produit 30 t.
Les titanomagnétites riches en vanadium, par exemple en Afrique du Sud, sont calcinées, en présence de carbonate (65 kg/t de concentré), chlorure ou sulfate de sodium, dans un four tournant, à 1100°C. La magnétite (F3O4) est oxydée en hématine (Fe2O3) et le vanadium est libéré en donnant du vanadate de sodium (NaVO3) qui est extrait par lixiviation à l’eau, puis l’ajout d’ammoniac permet la précipitation du vanadate d’ammonium. La calcination de ce dernier dans des conditions déterminées donne l’oxyde désiré.
Les titanomagnétites plus pauvres en vanadium sont principalement traitées dans un haut fourneau puis un convertisseur, en Chine ou en Russie.
Le traitement dans un haut fourneau donne d’une part un laitier riche en dioxyde de titane d’où ce dernier sera extrait (voir le chapitre dioxyde de titane) et d’autre part de la fonte contenant le vanadium. Ce dernier sera récupéré sous forme de V2O5 dans un convertisseur, lors de l’élaboration de l’acier à partir de la fonte et du soufflage du dioxygène destiné à diminuer la teneur en carbone.
En Afrique du Sud, le minerai qui était extrait par Evraz de la mine de Mapochs subissait un traitement en 3 étapes de pré-réduction puis de réduction dans un four électrique et enfin d’oxydation. Il était pré-réduit, en présence de charbon en poudre, dans un four tournant vers 1 140°C puis, réduit, vers 1 350°C dans un four électrique à électrode immergée dans lequel avait lieu la séparation entre un laitier riche en dioxyde de titane et une fonte contenant le vanadium, avec une teneur de 1,28 % de V. Celle-ci subissait ensuite, dans une poche de coulée, un soufflage de dioxygène qui permettait de recueillir dans un nouveau laitier, le vanadium sous forme d’oxyde, avec une teneur comprise entre 12 et 16 % de V. Les sables riches en magnétite de Nouvelle Zélande, exploités par New Zealand Steel, subissent un traitement proche.
Les laitiers obtenus comme coproduits des opérations sidérurgiques sont ensuite traités comme les minerais riches en vanadium.
Le vanadium contenu dans les pétroles lourds se retrouve, dans le coke produit lors du procédé flexicoke de transformation des pétroles lourds en produits plus légers. Le vanadium renfermé dans le coke est extrait par de l’acide sulfurique puis précipité par de l’ammoniac, en vanadate d’ammonium. Le principe d’extraction est le même pour le vanadium contenu dans les cendres des centrales thermiques fonctionnant au charbon.
Les oxydes de vanadium sont principalement utilisés pour produire, par aluminothermie ou par réduction au four électrique du ferrovanadium destiné à la fabrication d’acier ou des alliages vanadium-aluminium destinés à la métallurgie du titane.
Le vanadate d’ammonium ou les oxydes purifiés sont à la base de l’élaboration des divers composés chimiques du vanadium.
En 2023, en milliers de t de vanadium contenu, sur un total mondial de 100 000 t. Sources : USGSProduction minière de vanadium
| Chine | 68 000 t | Afrique du Sud | 9 100 t | |
| Russie | 20 000 t | Brésil | 6 400 t |
Source : USGS
Au Brésil, a débuté, en août 2014, la production de la mine de Maracás Menchen, dans l’État de Bahia, exploitée par la société canadienne Largo Resources. En 2021, la production a été de 10 319 t de V2O5. En 2020, 1,087 million de t de minerai ont été extraites avec une teneur de 1,07 % de V2O5 et un taux de récupération de 81,5 %. Les réserves prévues et probables sont de 60,13 millions de t de minerai renfermant 0,79 % de V2O5 et 8,24 % de TiO2. La teneur du minerai est de 24,33 % en matériau magnétique renfermant 2,54 % de V2O5 et 3,24 % de TiO2. A compter de 2024, il est prévu de récupérer le dioxyde de titane contenu avec une capacité de production de 30 000 t/an pouvant atteindre 120 000 t/an en 2028.
La mine de Windimurra, en Australie, propriété d’Atlantic, qui avait commencé à produire a dû cesser toute production après un incendie qui a détruit l’usine d’enrichissement le 4 février 2014. Les réserves prouvées et probables sont, en mars 2015, de 55,1 millions de t contenant 0,49 % de V2O5. La mine, à ciel ouvert, est située en Australie Occidentale, à 660 km au nord de Perth. Le minerai contient outre le vanadium, 55 % de fer et 14 % de TiO2. La capacité de production prévue est de 7 600 t de V2O5. En Australie, divers autres projets sont à l’étude.
En 2023, les réserves mondiales sont estimées à 19 millions de t, réparties dans les pays suivants :
| Australie | 8 500 | Chine | 4 400 | |
| Russie | 5 000 | Afrique du Sud | 750 |
Source : USGS
En Chine, 83,2 % des réserves chinoises de titanomagnétites vanadifères sont situées dans la province du Sichuan.
Les principaux producteurs de Vanadium sont :
Pour le ferrovanadium, en 2023.
Principaux pays exportateurs, sur un total de 21 933 t.
| Afrique du Sud | 5 613 | Pays Bas | 1 263 | |
| Chine | 5 551 | République tchèque | 1 110 | |
| Corée du Sud | 2 217 | Russie | 952 | |
| Canada | 1 465 | Malaisie | 720 |
Source ITC
Les exportations d’Afrique du Sud sont destinées à 56 % aux Pays Bas, 18 % à l’Inde, 8 % au Japon,
Principaux pays importateurs, sur un total de 31 059 t.
| Allemagne | 3 311 | Corée du Sud | 1 930 | |
| États-Unis | 3 009 | Taipei chinois | 1 774 | |
| Italie | 3 006 | Inde | 1 419 | |
| Japon | 2 363 | Turquie | 1 351 |
Source : ITC
Les importations allemandes proviennent à 45 % d’Autriche, 15 % d’Afrique du Sud, 13 % de Corée du Sud, 11 % des Pays Bas, 10 % de Chine.
En 2022, en vanadium contenu, les importations des États-Unis ont été de 1 500 t de V2O5, 2 700 t de ferrovanadium, 100 t d’autres oxydes et hydroxyde, 30 t d’alliage Al-V, 790 t d’autres composés chimiques, 1 800 t de cendres et déchets.
Le vanadium contenu, sous faible teneur, dans les aciers n’est pas récupéré.
Par contre celui contenu dans les aciers rapides et les superalliages est récupéré et recyclé. Il en est de même pour l’oxyde de vanadium des catalyseurs usés. La récupération des catalyseurs usés permet le recyclage de 3 000 t/an de vanadium.
Le recyclage représente, en 2020, 10 % de la consommation.
Il n’y a pas de production française.
Les exportations en 2023 étaient de :
Les importations en 2023 étaient de :
La consommation mondiale, en 2021, s’élevait à 120 067 t. Sa répartition, en 2016, était la suivante :
| Chine | 44 % | Japon | 6 % | |
| Europe | 18 % | Russie et CIS | 6 % |
|
| Amérique du Nord | 12 % | Inde | 4 % |
Source : VanadiumCorp
En 2021, dans le monde. Source : Largo Resources
| Aciers | 92,6 % | Alliages de titane et d’aluminium | 2,0 % | |
| Chimie | 3,2 % | Autres (batteries…) | 2,2 % |
Le vanadium est introduit dans les aciers principalement, à 85 %, sous forme de ferrovanadium. Celui-ci renferme 40, 60 ou 80 % de vanadium. Ceux contenant 60 et 80 % de vanadium sont élaborés par aluminothermie ou réduction dans un four électrique. Ceux à 40 % de vanadium sont préparés par réduction à l’aide de silicium.
En moyenne, en 2018, dans le monde, la teneur des aciers en vanadium est de 0,054 kg de V/t d’acier, avec :
Le vanadium, en formant des carbures et des nitrures, sous faible teneur, d’environ 0,25 %, comme le niobium ou le titane, permet d’obtenir des aciers micro-alliés, à haute résistance (aciers HSLA) qui représentent 12 % de la production mondiale d’aciers. Le rôle du vanadium est d’augmenter la limite élastique et la résistance à la traction, propriétés importantes pour les aciers destinés à la construction et en particulier les ronds à béton. Cette application dans les aciers HSLA représente, en 2014, 46 % des utilisations du vanadium.
Les aciers rapides ont des teneurs en vanadium comprises entre 1 et 5 %.
Le vanadium entre dans la composition du principal alliage de titane, TA6V, contenant 90 % de Ti, 6 % de Al et 4 % de V, utilisé dans l’aéronautique ainsi que pour des implants dentaires.
L’oxyde de vanadium, V2O5, est utilisé comme catalyseur dans le procédé de contact de fabrication de l’acide sulfurique. Il catalyse la réaction d’oxydation du dioxyde de soufre, en trioxyde. Il catalyse également la formation d’anhydride maléique, par oxydation à l’air du butane.
Le vanadium est utilisé dans des batteries stationnaires. Ces batteries redox au vanadium qui possèdent une capacité importante peuvent répondre à des pics de consommation ou au lissage de la production de sources intermittentes telles que le photovoltaïque ou l’éolien. La possibilité pour le vanadium de présenter, en solution, 4 différents degrés d’oxydation (+V, +IV, +III, +II) est mise à profit. La demi-cellule positive contient, en solution dans l’acide sulfurique, des ions VO2+ qui lors de la charge donnent des ions VO2+, la demi-cellule négative renfermant des ions V3+ donnant des ions V2+, le séparateur des cellules est une membrane perméable aux protons. La tension entre les 2 demi-cellules est de 1,41 V à 25°C.
Il est également utilisé dans des batteries au lithium. La technologie lithium-ions utilise des cathodes en oxyde de lithium-cobalt, LiCoO2 qui peuvent être remplacées par des cathodes en phosphate de lithium-vanadium, Li3V2(PO4)3, associé ou non à du phosphate de lithium-fer, LiFePO4. Ces batteries sont destinées à alimenter les véhicules électriques. Une technologie concurrente lithium-métal-polymère, utilise des cathodes en oxyde de vanadium, carbone et polymère. Cette technologie était utilisées par le groupe Bolloré pour alimenter les véhicules Blue Car d’Autolib, à Paris. Elle présente l’avantage de ne comporter que des composants solides évitant les risques d’explosion mais doit fonctionner à 85°C pour atteindre un fonctionnement optimal.
Utilisations diverses :
Colore en jaune les céramiques et les verres.