Determination of Magnetic Properties of Ferrous Impurity Particles in Agricultural Products as a Determinative Factor for its Effective Magnetic Separation

Introduction: The issue of determining the magnetic characteristics of small particles remains problematic, and therefore can restrain the solution of scientific and scientific-applied problems (among the most important of them is the removal of ferrous impurities from agricultural products) and requires special consideration, including with the involvement of original approaches and ideas.

Purpose: Using the example of ferro impurities isolated during the production of crushed tea leaf and sugar, give a description of the method of a sparse sample (sparse ferroparticle powder) to obtain magnetic susceptibility data first of the sample, and then of individual particles. Compare the characteristics of these particles and magnetite particles.

Materials and Methods: Experimental dependencies of the magnetic susceptibility of dispersed samples on the volume fraction of magnetoactive particles extracted from crushed tea leaf and granulated sugar (as well as magnetite particles for comparison) were obtained. The samples were prepared by diluting the original powder (consisting solely of magnetoactive particles) with a non-magnetic filler, under a fixed magnetic field strength of H = 45 kA/m.

Results:  In the course of the experiment, quantitative dependencies of the magnetic susceptibility of dispersed samples on the volume fraction of ferro-particles extracted from crushed tea leaf and granulated sugar were obtained; magnetite particles were additionally examined as a reference material. For all sample types, a linear region was identified in the initial concentration range, which was interpreted as informative with respect to the magnetic susceptibility of individual particles.

Conclusion: The obtained values of magnetic susceptibility for ferro-impurity particles extracted from tea, sugar, and magnetite differ significantly, indicating heterogeneity in their magnetic properties. These differences provide a basis for the targeted selection of magnetic separation parameters depending on the characteristics of a specific medium, thereby enhancing the efficiency of removing ferro-impurities from food and other dispersed systems.

1. Алифанов, А. В., Ануфрик, С. С., Белявин, К. Е., и др. (2017). Перспективные материалы и технологии. Монография. В 2-х томах. Том 2. Под редакцией В.В. Клубовича. Витебск, 2017 Издательство: Витебский государственный технологический университет (Витебск).

2. Диканский, Ю. И., Дроздов, А. С., Дорожко, Д. С., Бабкин А. И., Ли Е. С. (2024). Исследование электрофореза в магнитных коллоидах магнитными методами. XXI Всероссийская с международным участием Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям: Сборник научных трудов конференции, Плес, 10–13 сентября 2024 года. – Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2024. – С. 30-32.

3. Диканский, Ю. И., Гладких, Д. В., Дорожко, Д. С. (2024). Влияние электрического и магнитного полей на магнитную восприимчивость магнитного коллоида, содержащего намагниченные агрегаты. XXI Всероссийская с международным участием Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям: Сборник научных трудов конференции, Плес, 10–13 сентября 2024 года. Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. С. 85-88.

4. Диканский, Ю. И., Испирян, А. Г., Арефьев, И. М., Куникин, С. А. Особенности зависимостей намагниченности насыщения и магнитной восприимчивости магнитного коллоида на основе ундекана от концентрации. 19-я международная Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям: Сборник научных трудов, Иваново, 08–11 сентября 2020 года. – Иваново: Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина, 2020. – С. 139-142.

5. Живулько, А. М., Янушкевич, К. И., Даниленко, Е. Г., Зеленов, Ф. В., Бандурина, О. Н. (2022). Магнитные свойства твердых растворов Mn1-xGdxSe. Сибирский аэрокосмический журнал, 23(4), 748–755. https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-4-748-755.

6. Леднев, И. С., Ходакова, Е. А. (2024). Расчет режимов намагничивания деталей авиационной техники. Журнал "Труды ВИАМ", Т.9 (139), 83–92 https://doi.org/10.18577/2307-6046-2024-0-9-83-92

7. Мусатов, В. И., Федулов, Ф. А., Савельев, Д. В., Болотина Е. В., Фетисов Л. Ю. (2023). Нелинейный магнитоэлектрический эффект в кольцевой композитной гетероструктуре. Russian Technological Journal, 11, № 5, 63-70. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2023-11-5-63-70.

8. Пучков, П. В., Топоров, А. В., Палин, Д. Ю. (2022). Исследование влияния плотности упаковки частиц наполнителя магнитного эластомерного материала на характеристики магнитного поля в области трения при использовании магнитной жидкости в качестве смазки. Пожарная и аварийная безопасность. №2(25), 14-20.

9. Сандомирский, С. Г. (2022). Расчет кривой Столетова конструкционных сталей по параметрам предельной петли магнитного гистерезиса. Электричество, №1, с.18-23. https://doi.org/10.24160/0013-5380-2022-1-18-23

10. Хачатуров, А. А., Потапов, Е. Э., Резниченко, С. В., Ковалева, А. Н. (2020). Влияние железорудного концентрата (магнетита) на кинетику вулканизации резиновых смесей на основе бутадиен-стирольного каучука в присутствии различных ускорителей, Тонкие химические технологии.15(5). 46-53.

11. Baskar, D., Adler, S. B. (2007). High temperature Faraday balance for in situ measurement of magnetization in transition metal oxides. Review of Scientific Instruments, 78, 023908. https://doi.org/10.1063/1.2432476

12. Bjørk, R., Zhou, Z. (2019). The demagnetization factor for randomly packed spheroidal particles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 476, 417–422. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.005

13. Сhen, D. X., Pardo, E., Zhu, Y.-H., Xiang, L.-X., Ding, J.-Q. (2018). Demagnetizing correction in fluxmetric measurements of magnetization curves and hysteresis loops of ferromagnetic cylinders. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 449, 447–454. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.10.069

14. Dikansky, Yu. I., Gladkikh, D. V., Dorozhko, D. S., Kurnev, A. V. (2024). Features of Magnetic Susceptibility of a Ferrofluid with a Non-Magnetic Filler. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 88 (10), 1513-1517. https://doi.org/ 10.1134/S1062873824707852.

15. Lopez-Dominguez, V., Quesada, A., Guzmán-Mínguez, J.C., Moreno, L., Lere, M., Spottorno, J., Giacomone, F., Fernández, J. F., Hernando, A., García, M.A. (2018). A simple vibrating sample magnetometer for macroscopic samples. Review of Scientific Instruments, 89(3), 034707. https://doi.org/10.1063/1.5017708

16. Maciaszek, R., Kollár, P., Birčáková, Z., Tkáč, M., Füzer, J., Olekšáková, D., Volavka, D., Samuely, T., Kováč, J., Bureš, R., Fáberová, M. (2024). Effects of particle surface modification on magnetic behavior of soft magnetic Fe@SiO2 composites and Fe compacts. Journal of Material Science, 59, 11781–11798. https://doi.org/10.1007/s10853-024-09881-1

17. Mosleh, N., Insinga, A. R., Bahl, C. R. H., Bjørk, R. (2024). The magnetic properties of packings of cylinders. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 607. 172391. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2024.172391.

18. Putri, S., Harun, А., Sulaiman, F. (2022). Preparation of solenoid probe for Eddy Current Testing technique probe. Journal of Physics: Conference Series, 2314, 012018.

19. Riminucci, A., Uhlarz, M., R. De Santis, Herrmannsdörfer, T. (2017). Analytical balance-based Faraday magnetometer. Journal of Applied Physics, 121, 094701. https://doi.org/10.1063/1.4977719

20. Schäfer, K., Braun, T., Riegg, S., Musekamp, J., Gutfleisch, O. (2023). Polymer-bonded magnets produced by laser powder bed fusion: Influence of powder morphology, filler fraction and energy input on the magnetic and mechanical properties. Materials Research Bulletin, 158, 112051. https://doi.org/10.48550/arXiv.2210.00696

21. Thirumurugan, A., Ramadoss, A., Dhanabalan, S., et al. (2022). MXene/Ferrite Magnetic Nanocomposites for Electrochemical Supercapacitor Applications. Micromachines (Basel), 13(10), 1792. https://doi.org/10.3390/mi13101792.

22. McFarlane, J., Weber, C., Wiechert, A., Yiacoumi, S., Tsouris, C. (2024). High-gradient magnetic separation of colloidal uranium oxide particles from soil components in aqueous suspensions. Colloids and Surfaces C: Environmental Aspects, 2, 100023.

23. https://doi.org/10.1016/j.colsuc.2023.100023.

24. Sandulyak, A. V., Sandulyak, D. A., Ershova, V. A., Sandulyak, A. A., Polismakova, M. N. (2019). A ferroparticle in a magnetizable disperse medium made up of particles of a like nature: Specific aspects of susceptibility determination. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 488, 1653651 https://doi.org/ 10.1016/j.jmmm.2019.165365

25. Sandulyak, D. А., Sandulyak, А. А., Кiselev, D. О., Sandulyak, А. V., Polismakova, М. N., Kononov, M. A., Ershova, V. А. (2017). Determining the magnetic susceptibility of ferroparticles from the susceptibility of their dispersive samples. Measurement Techniques, 60 (9), 928-933.

26. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1295-z

27. Sandulyak, A. A., Polismakova, M. N., Sandulyak, D. A., Sandulyak, A. V., Repetunov, R. A., Kurmysheva, A. Yu., Makhiboroda, M. A. (2022). Magnetic Susceptibility of Powders and Magnetic particles (Modified Inclusions of Iron Oxides) Carbon Sorbents. Applied Mechanics and Materials, 908, 103-111. https://doi.org/10.4028/p-w721c4

28. Sokolovskiy, V. V., Buchelnikov V. D., Cong D. (2024). Magnetic and structural properties of all-d metal Mn-Ni-Ti Heusler alloys. Bulletin of the South Ural State University. Series: Mathematics. Mechanics. Physics, 16 (2), 78-85. https://doi.org/10.14529/mmph240208