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1. 산화철 환원 실험
1.1. 실험 목적
제철제강공정의 과정에서 일어나는 산화철 환원반응에 대해 간접적으로 실험해보면서 제철제강에서의 산화철 환원반응의 이해를 높이고 Microwave의 가열원리도 알 수 있다.
1.2. 실험 기구
실험에 사용되는 주요 기구는 다음과 같다.
전자레인지(Microwave 발생)는 산화철 환원 반응을 위한 마이크로웨이브 가열 장치로 사용된다. 산화철과 환원제가 담긴 도가니를 전자레인지 내부에 놓고 마이크로웨이브를 조사하여 반응을 유도한다. 전자레인지의 마이크로웨이브는 물질 내부로 직접 침투하여 선택적으로 가열할 수 있는 특성이 있어 산화철 환원 반응에 효과적이다.
석영 도가니는 실험 시료를 담아 마이크로웨이브 가열을 받는 용기이다. 석영은 고온에서 안정하여 실험 조건에 적합하다.
내화연와는 석영 도가니를 감싸고 있어 반응 시 발생하는 열을 차단하고 도가니를 보호하는 역할을 한다. 내화연와 내부에는 도가니가 들어갈 수 있는 홈이 파여있다.
적외선 온도계는 도가니 내부의 시료 온도를 비접촉식으로 측정할 수 있는 장치이다. 반응 중 발생하는 열과 빛을 감지하여 온도 변화를 실시간으로 확인할 수 있다.
이 외에도 분말 시료를 혼합하기 위한 막자사발과 내화솜 등이 사용된다. 내화솜은 내화연와와 도가니 사이의 틈새를 막아 열손실을 방지하는 단열재 역할을 한다.
이러한 다양한 기구들이 유기적으로 결합되어 산화철 환원 반응을 효과적으로 수행할 수 있도록 지원한다.
1.3. 실험 이론
1.3.1. Microwave의 특성
Microwave는 전자기 에너지의 한 형태로, 300 ~300,000 MHz의 주파수 범위를 갖는다. Microwave는 산업용, 과학용, 의료용으로 다양하게 사용되고 있는데, 그중에서도 2,450 MHz의 주파수대의 Microwave가 실험실 반응을 침투할 수 있는 적당한 침투 두께를 가지고 있어 많이 사용되어 왔다.
Microwave 에너지는 전기장과 자기장으로 구성되어 있지만, 물질을 가열시킬 수 있는 에너지는 오직 전기장만이 전달시킬 수 있다. 자기장과의 상호작용은 화학 합성에서는 발생하지 않는다. Microwave는 광속(300,000km/sec)으로 전파되며, Microwave 광자(photons)의 에너지(0.037kcal/mole)는 분자 결합을 끊을 수 있는 전형적인 에너지(80-120 kcal/mole)에 비해 상대적으로 매우 낮다. 따라서 Microwave는 유기분자의 구조에는 영향을 미치지 않고, 분자의 운동에만 영향을 미친다.
1.3.2. Microwave를 이용한 산화철 환원
Microwave를 이용한 산화철 환원은 제철제강공정에서 일어나는 산화철 환원반응을 간접적으로 실험해볼 수 있는 방법이다.
Microwave는 전자기 에너지 중 낮은 주파수를 가진 에너지의 한 형태로 300~300,000 MHz의 주파수 범위를 갖는다. 산업용, 과학용, 의료용으로 주로 사용되며, 특히 실험실 반응 용량을 침투할 수 있는 2,450 MHz 주파수대의 Microwave가 많이 활용된다.
Microwave 가열의 특징은 급속가열, 균일가열, 국부가열, 선택가열이다. Microwave는 순간적으로 피가열물 속으로 침투해 발열하므로 열전도에 필요한 시간이 불필요하여 단시간에 가열할 수 있다. 또한 유전체 내부에서 전기력선이 균일하게 발생하므로 온도 상승이 일정하게 된다. 가열해야 할 부분에 전극을 대면 국부적인 가열도 가능하며, 각 물질의 유전손실 특성 차이에 따라 선택적 가열도 가능하다.
Microwave를 이용한 산화철 환원 과...
