priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2023-66-7-602-611pribor-140Research ArticleПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫMETHODS AND INSTRUMENTS FOR ANALYSIS AND MONITORING OF THE NATURAL ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIALS AND PRODUCTSМетодика пондеромоторного контроля магнитной восприимчивости дисперсных образцов и частиц железосодержащих сорбентовMethod of ponderomotive control of magnetic susceptibility of disperse samples and particles of ironcontaining sorbentsСандулякД. А.SandulyakD. A.

Дарья Александровна Сандуляк - канд. техн. наук; кафедра приборов и информационно-измерительных систем

Москва

Darya A. Sandulyak - PhD; Department of Instruments and Information Measuring Systems; Associate Professor

Moscow

d.sandulyak@mail.ruСандулякА. А.SandulyakA. A.

Анна Александровна Сандуляк - д-р техн. наук, профессор; кафедра приборов и информационно-измерительных систем

Москва

Anna A. Sandulyak - Dr. Sci., Professor; Department of Instruments and Information Measuring Systems

Moscow

anna.sandulyak@mail.ruПолисмаковаМ. Н.PolismakovaМ. N.

Мария Николаевна Полисмакова - канд. техн. наук, доцент; кафедра приборов и информационно-измерительных систем

Москва

Maria N. Polismakova - PhD, Associate Professor; Department of Instruments and Information Measuring Systems

Moscow

m.polismakova@mail.ruЕршоваВ. А.ErshovaV. A.

Вера Александровна Ершова - канд. техн. наук; лаборатория магнитного контроля и разделения материалов; ст. научный сотрудник

Москва

Vera A. Ershova - PhD; Laboratory of Magnetic Control and Material’s Separation; Senior Researcher

Moscow

v.ershova@mail.ruСандулякА. В.SandulyakA. V.

Александр Васильевич Сандуляк - д-р техн. наук, профессор; кафедра приборов и информационно-измерительных систем

Москва

Alexander V. Sandulyak - Dr. Sci., Professor; Department of Instruments and Information Measuring Systems

Moscow

КурмышеваА. Ю.KurmyshevaA. Yu.

Александра Юрьевна Курмышева - канд. техн. наук; лаборатория жидкофазных каталитических и электро-каталитических процессов; научный сотрудник; МГТУ СТАНКИН, лаборатория искрового плазменного спекания

Москва

Alexandra Yu. Kurmysheva — PhD; Laboratory of Liquid-phase Catalytic and Electrocatalytic Processes; Researcher; Moscow State University of Technology “STANKIN”

Moscow

aukurm@gmail.comСоловьевИ. А.SolovevI. A.

Игорь Анатольевич Соловьев - аспирант; кафедра приборов и информационно-измерительных систем

Москва

Igor A. Solovev - Post-Graduate Student; Department of Instruments and Information Measuring Systems

Moscow

sia8811@mail.ruМИРЭА – Российский технологический университетMIREA – Russian Technological UniversityИнститут органической химии им. Н. Д. Зелинского РАНN. D. Zelinsky Institute of Organic Chemistry of the RAS202327112024667602611Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/140

Для повышения результативности применения порошковых магнитных сорбентов в технологии очистки сточных вод, когда одной из ключевых стадий этой технологии является оперативное выделение отработанного сорбента магнитной сепарацией, требуется контроль магнитной восприимчивости χ частиц таких сорбентов. Анализируется методология ее определения, основанная на получении экспериментальной зависимости магнитной восприимчивости дисперсного образца  от объемной доли γ в нем контролируемых частиц, где идентифицируемый линейный начальный участок этой зависимости (ограничиваемый критериальным значением γ = [γ]) свидетельствует о практическом отсутствии магнитного взаимодействия частиц. Тогда при γ ≤ [γ] значения χ определяются как χ =  /γ. Пондеромоторным методом с использованием модернизированного магнетометра с полюсами сферической формы для создания требуемой зоны стабильной неоднородности поля получена зависимость  от γ для магнитного сорбента (углеродного, с включениями магнетита и маггемита) и установлено значение [γ]. По величине  из ее линейного участка, до критериального значения [γ], определена магнитная восприимчивость χ частицы в поле напряженностью H = 61кА/м. Представляется возможным также получить развернутую полевую зависимость для χ.  

In order to increase the efficiency of using powder magnetic sorbents in water purification technology, when one of the key stages of this technology is the rapid isolation of spent sorbent by magnetic separation, the control of the magnetic susceptibility χ of the individual particles of such sorbents is needed. The analyzed methodology of determining magnetic susceptibility is based on obtaining experimental dependence of the magnetic susceptibility  of the dispersed sample on the volume fraction γ in it of controlled particles and identifying the linear initial section of this dependence (limited by criterion value γ = [γ]), the specified section of this dependence indicates the practical absence of magnetic interaction of the particles. So at γ = [γ], χ -values are determined as χ =  /γ. By ponderomotive method (using modernized magnetometer with spherical pole pieces for creating zone of a stable inhomogeneity field) γ dependence of  is obtained for magnetic sorbent (carbon sorbent with inclusions of magnetite and maggemite), and value of [γ] is found. The magnetic susceptibility χ of the particle in the field of strength H = 61 kA/m is determined from its linear section, up to the criterion value [γ]. It also seems possible to obtain an expanded field dependence for χ.

железосодержащий сорбентмагнитная восприимчивостьмодернизированный магнетометр пондеромоторного типакритерий объемной доли частицiron-containing sorbentmagnetic susceptibilitymodernized ponderomotive-type magnetometercriterion of volume fraction of particlesисследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках госзадания в сфере науки — проект № 0706-2020-0024.the research was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, project No. 0706-2020-0024.ReferencesФоменкова А.А. Анализ работоспособности систем анаэробной биологической очистки сточных вод в процессе эксплуатации // Изв. вузов. Приборостроение. 2022. Т. 65, № 2. С. 140—147. DOI: 10.17586/00213454-2022-65-2-140-147.Fomenkova А.А. Journal of Instrument Engineering, 2022, no. 2, pp. 140–147, DOI: 10.17586/0021-3454-2022-65- 2-140-147. (in Russ.)Xiao H., Huang D., Pan Y., Liu Y., Song K. Fault diagnosis and prognosis of wastewater processes with incomplete data by the auto-associative neural networks and ARMA model // Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. 2017. Vol. 161. P. 96—107. DOI:10.1016/j.chemolab.2016.12.009.Xiao H., Huang D., Pan Y., Liu Y., Song K. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2017, vol. 161, рр. 96–107, DOI:10.1016/j.chemolab.2016.12.009.Веденяпина М. Д., Курмышева А. Ю., Кряжев Ю. Г., Ершова В. А. Магнитные железосодержащие углеродные материалы как сорбенты для извлечения загрязнителей из водных сред: обзор // Химия твердого топлива. 2021. № 5. С. 15—37. DOI:10.31857/S0023117721050078.Vedenyapina M.D., Kurmysheva A.Y., Ershova V.A., Kryazhev Y.G. Solid Fuel Chemistry, 2021, no. 5, pp. 285–305, DOI:10.31857/S0023117721050078.Mohan D., Sarswat A., Singh V. K., Alexandre-Franco M., Pittman Jr. C. U. Development of magnetic activated carbon from almond shells for trinitrophenol removal from water // Chemical Engineering Journal. 2011. Vol. 172. P. 1111—1125. DOI:10.1016/j.cej.2011.06.054 .Mohan D., Sarswat A., Singh V. K., Alexandre-Franco M., Pittman Jr. C.U. Chemical Engineering Journal, 2011, vol. 172, рр. 1111–1125, DOI:10.1016/j.cej.2011.06.054 .Feng Z., Chen H., Li H., Yuan R., Wang F., Chen Z., Zhou B. Preparation, characterization, and application of magnetic activated carbon for treatment of biologically treated papermaking wastewater // Science of the Total Environment. 2020. Vol. 713. P. 136423. DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.136423.Feng Z., Chen H., Li H., Yuan R., Wang F., Chen Z., Zhou B. Science of the Total Environment, 2020, vol. 713, рр. 136423, DOI:10.1016/j.scitotenv.2019.136423.Jiang Y., Xie Q., Zhang Y., Geng C., Yu B., Chi J. Preparation of magnetically separable mesoporous activated carbons from brown coal with Fe3O4 // International Journal of Mining Science and Technology. 2019. Vol. 29. P. 513—519. DOI:10.1016/j.ijmst.2019.01.002.Jiang Y., Xie Q., Zhang Y., Geng C., Yu B., Chi J. International Journal of Mining Science and Technology, 2019, vol. 29, рр. 513–519,DOI:10.1016/j.ijmst.2019.01.002.Liu Y., Huo Z., Song Z., Zhang C., Ren D., Zhong H., Jin F. Preparing a magnetic activated carbon with expired beverage as carbon source and KOH as activator // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2019. Vol. 96. P. 575—587. DOI:10.1016/j.jtice.2018.11.017.Liu Y., Huo Z., Song Z., Zhang C., Ren D., Zhong H., Jin F. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2019, vol. 96, рр. 575–587, DOI:10.1016/j.jtice.2018.11.017.Ito D., Nishimura K., Miura O. Removal and recycle of phosphate from treated water of sewage plants with zirconium ferrite adsorbent by high gradient magnetic separation // Journal of Physics: Conf. Series. 2009. Vol. 156. P. 012033. DOI:10.1088/1742-6596/156/1/012033.Ito D., Nishimura K., Miura O. Journal of Physics: Conference Series, 2009, vol. 156, рр. 012033, DOI:10.1088/1742-6596/156/1/012033.Xue Z., Wang Y., Zheng X., Lu D., Li X. Particle capture of special cross-section matrices in axial high gradient magnetic separation: A 3D simulation // Separation and Purification Technology. 2020. Vol. 237. P. 116375. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116375.Xue Z., Wang Y., Zheng X., Lu D., Li X. Separation and Purification Technology, 2020, vol. 237, рр. 116375, DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116375.Liu Y.-L., Li D.-W., He J. et al. A periodic magnetic field as a special environment for scientific research created by rotating permanent magnet pair // Review of Scientific Instruments. 2018. Vol. 89. P. 105103. DOI: 10.1063/1.5016570.Liu Y.-L., Li D.-W., He J. et al. Review of Scientific Instruments, 2018, vol. 89, рр. 105103, DOI: 10.1063/1.5016570.Watarai H., Suwa M., Iiguni Y. Magnetophoresis and electromagnetophoresis of microparticles in liquids // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2004. Vol. 378. P. 1693—1699. DOI: 10.1007/s00216-003-2354-7.Watarai H., Suwa M., Iiguni Y. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2004, vol. 378, рр. 1693–1699, DOI:10.1007/s00216-003-2354-7.Sinha S., Ganguly R., De A. K., Puri I. K. Single magnetic particle dynamics in a microchannel // Physics of Fluids. 2007. Vol. 19. P. 117102. DOI:10.1063/1.2780191.Sinha S., Ganguly R., De A.K., Puri I.K. Physics of Fluids, 2007, vol. 19, рр. 117102, DOI:10.1063/1.2780191.Zeng J., Tong X., Yi F., Chen L. Selective capture of magnetic wires to particles in high gradient magnetic separation // Minerals. 2019. Vol. 9 (9). P. 509. DOI: 10.3390/min9090509.Zeng J., Tong X., Yi F., Chen L. Minerals, 2019, vol. 9(9), рр. 509, DOI: 10.3390/min9090509.Mariani G., Fabbri M., Negrini F., Ribani P. L. High-Gradient Magnetic Separation of pollutant from wastewaters using permanent magnets // Separation and Purification Technology. 2010. Vol. 72. P.147—155. DOI:10.1016/j.seppur.2010.01.017.Mariani G., Fabbri M., Negrini F., Ribani P. L. Separation and Purification Technology, 2010, vol. 72, рр.147–155, DOI:10.1016/j.seppur.2010.01.017.Hu K., Sun J., Guo Z. et al. A Novel Magnetic Hydrogel with Aligned Magnetic Colloidal Assemblies Showing Controllable Enhancement of Magnetothermal Effect in the Presence of Alternating Magnetic Field // Advanced Materials. 2015. Vol. 27. P. 2507—2514. DOI: 10.1002/adma.201405757.Hu K., Sun J., Guo Z. et al. Advanced Materials, 2015, vol. 27, рр. 2507–2514, DOI: 10.1002/adma.201405757.Baik S. K., Ha D. W., Ko R. K., Kwon J. M. Magnetic field analysis of high gradient magnetic separator via finite element analysis // Physica C. 2012. Vol. 480. P. 111—117. DOI:10.1016/j.physc.2012.04.036.Baik S.K., Ha D.W., Ko R.K., Kwon J.M. Physica C, 2012, vol. 480, рр. 111–117, DOI:10.1016/j.physc.2012.04.036.Wu T. H., Mao J. H., Wang J. T., Wu J. Y., Xie Y. B. A New On-Line Visual Ferrograph // Tribology Trans. 2009. Vol. 52. P. 623—631. DOI:10.1080/10402000902825762.Wu T.H., Mao J.H., Wang J.T., Wu J.Y., Xie Y.B. Tribology Transactions, 2009, vol. 52, рр. 623–631, DOI:10.1080/10402000902825762.Сандуляк А. А., Сандуляк А. В., Киселев Д. О., Сандуляк Д. А., Полисмакова М. Н., Ершова В. А. О методе получения данных магнитной восприимчивости феррочастиц порошков по концентрационным и полевым зависимостям их восприимчивости // Приборы. 2018. № 11 (221). С. 43—51.Sandulyak A.A., Sandulyak A.V., Kiselev D.O., Sandulyak D.A., Polismakova M.N., Ershova V.A. Pribory, 2018, no. 11(221), pp. 43–51. (in Russ.)Sandulyak A. A., Sandulyak A. V., Ershova V., Pamme N., Ngmasom B., Iles A. Definition of a magnetic susceptibility of conglomerates with magnetite particles. Particularities of defining single particle susceptibility // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 441. P. 724—734. DOI:10.1016/j.jmmm.2017.06.027.Sandulyak A.A., Sandulyak A.V., Ershova V., Pamme N., Ngmasom B., Iles A. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, vol. 441, рр. 724–734, DOI:10.1016/j.jmmm.2017.06.027.Головин В. А., Тюрина С. А., Щелков В. А. Современные подходы к снижению накипеобразования в теплообменном оборудовании // Russian Technological Journal. 2022. Т. 10, № 3. С. 93—102. DOI: 10.32362/2500-316X-2022-10-3-93-102.Golovin V.A., Tyurina S.A., Shchelkov V.A. Russian Technological Journal, 2022, no. 3(10), pp. 93–102, DOI:10.32362/2500-316X-2022-10-3-93-102. (in Russ.)Ngomsik A-F., Bee A., Draye M., Cote G., Cabuil V. Magnetic nano- and microparticles for metal removal and environmental applications: a review // C. R. Chimie. 2005. Vol. 8. P. 963—970. DOI:10.1016/j.crci.2005.01.001.Ngomsik A.-F., Bee A., Draye M., Cote G., Cabuil V. C.R. Chimie, 2005, vol. 8, рр. 963–970, DOI:10.1016/j.crci.2005.01.001.Yavuz C. T., Mayo J. T., Yu W. W. et al. Low-Field Magnetic Separation of Monodisperse Fe3O4 Nanocrystals // Science. 2006. Vol. 314. P. 964—967. DOI: 10.1126/science.1131475.Yavuz C.T., Mayo J.T., Yu W.W. et al. Science, 2006, vol. 314, рр. 964–967, DOI: 10.1126/science.1131475.Sun J., Zhang Y., Chen Z., Zhou J., Gu N. Fibrous aggregation of magnetite nanoparticles induced by a time-varied magnetic field // Angew. Chem. Intern. Ed. 2007. Vol. 46. P. 4767—4770 DOI: 10.1002/anie.200604474.Sun J., Zhang Y., Chen Z., Zhou J., Gu N. Angew. Chem. Int. Ed., 2007, vol. 46, рр. 4767–4770, DOI: 10.1002/anie.200604474.Bjork R., Zhou Z. The demagnetization factor for randomly packed spheroidal particles // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019. Vol. 476. P. 417—422. DOI:10.1016/j.jmmm.2019.01.005.Bjork R., Zhou Z. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2019, vol. 476, рр. 417–422, DOI:10.1016/j.jmmm.2019.01.005.Diguet G., Beaugnon E., Cavaillé J. Y. Shape effect in the magnetostriction of ferromagnetic composite // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2010. Vol. 322. P. 3337—3341. DOI:10.1016/j.jmmm.2010.06.020.Diguet G., Beaugnon E., Cavaillé J.Y. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2010, vol. 322, рр. 3337–3341, DOI:10.1016/j.jmmm.2010.06.020.Bai K., Casara J., Nair-Kanneganti А., Wahl А., Carle F., Brown E. Effective magnetic susceptibility of suspensions of ferromagnetic particles // Journal of Applied Physics. 2018. Vol. 124. P. 123901. DOI: 10.1063/1.5041750.Bai K., Casara J., Nair-Kanneganti А., Wahl А., Carle F., Brown E. Journal of Applied Physics, 2018, vol. 124, рр. 123901, DOI: 10.1063/1.5041750.Казин П.Е., Кульбакин И.В. Методы исследования магнитных свойств материалов. М.: МГУ, 2011. 34 с.Kazin P.E., Kulbakin I.V. Metody issledovaniya magnitnykh svoystv materialov (Methods for Studying the Magnetic Properties of Materials), Moscow, 2011, 34 р. (in Russ.)Пат. 2789620 РФ. Электромагнитное устройство для создания неоднородного магнитного поля с зоной его стабильной неоднородности / А. А. Сандуляк, Д. А. Сандуляк, В. А. Ершова, М. Н. Полисмакова, А. В. Сандуляк, Д. О. Киселев. 06.02.2023 г.Patent RU 2789620, Elektromagnitnoye ustroystvo dlya sozdaniya neodnorodnogo magnitnogo polya s zonoy yego stabil'noy neodnorodnosti (An Electromagnetic Device for Creating an Inhomogeneous Magnetic Field with a Zone of Its Stable Inhomogeneity), A.A. Sandulyak, D.A. Sandulyak, V.A. Ershova, M.N. Polismakova, A.V. Sandulyak, D.O. Kiselev, Priority 06.02.2023. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.