Cấu tạo chi tiết của ống thạch anh đèn UV – Vì sao có thể truyền tia cực tím hiệu quả

Khi nói đến công nghệ khử trùng nước bằng tia cực tím (UV), nhiều người thường nghĩ ngay đến bóng đèn UV là trung tâm phát sáng, mà quên mất “người hùng thầm lặng” – ống thạch anh. Đây là bộ phận đóng vai trò then chốt, vừa bảo vệ bóng đèn khỏi môi trường nước, vừa cho phép tia cực tím xuyên qua và tiêu diệt vi sinh vật một cách hiệu quả nhất.
Để hiểu sâu hơn về cơ chế này, Sao Việt mời bạn cùng tìm hiểu chi tiết cấu tạo, cơ chế truyền tia UV, vai trò và nguyên lý vật lý phía sau ống thạch anh.

Nếu bạn chưa nắm rõ khái niệm cơ bản, có thể tham khảo trước bài viết:
Ống thạch anh là gì – Vai trò trong đèn UV khử trùng nước để hiểu tổng quan trước khi đi vào phân tích chuyên sâu.

Ống thạch anh là gì và vì sao nó được dùng trong đèn UV?

Ống thạch anh là một ống hình trụ, được làm từ silic dioxide (SiO₂) tinh khiết ở dạng kết tinh đặc biệt. Khác với thủy tinh thông thường, vật liệu này có độ truyền tia cực tím cực cao (có thể trên 90% đối với dải bước sóng UV-C 254 nm).

Trong hệ thống đèn UV khử trùng nước, bóng đèn UV được đặt bên trong ống thạch anh. Ống này vừa có nhiệm vụ ngăn nước tiếp xúc trực tiếp với bóng, vừa cho phép tia UV xuyên qua để tiêu diệt vi sinh vật trong nước. Chính nhờ cấu tạo và đặc tính vật liệu đặc biệt, ống thạch anh trở thành thành phần không thể thay thế trong mọi hệ thống UV công nghiệp hay dân dụng.

Cấu tạo chi tiết của ống thạch anh trong đèn UV

Một ống thạch anh tiêu chuẩn được cấu tạo từ ba phần chính:

• Phần thân ống: Dạng trụ tròn, đường kính phù hợp với kích thước bóng đèn UV (thường từ 20–50 mm). Thành ống có độ dày nhất định (thường 1,5–3 mm) để vừa đảm bảo truyền tia UV tốt, vừa chịu được áp lực nước cao.
• Đầu ống kín: Một đầu được hàn kín tuyệt đối để ngăn nước lọt vào bên trong.
• Đầu nối gioăng cao su: Đầu còn lại lắp vào thân đèn thông qua hệ thống gioăng silicon hoặc EPDM, giúp đảm bảo kín nước và dễ tháo lắp bảo dưỡng.

Vật liệu thạch anh phải có độ tinh khiết cao, hàm lượng tạp chất sắt (Fe) cực thấp (< 10 ppm). Nếu chứa nhiều sắt hoặc các ion kim loại nặng, khả năng truyền tia UV sẽ giảm đáng kể, dẫn tới hiệu quả khử trùng suy giảm.

Cơ chế truyền tia cực tím qua ống thạch anh

Khả năng truyền tia UV của ống thạch anh không phải ngẫu nhiên mà có. Nó được quyết định bởi cấu trúc tinh thể SiO₂ và cách các photon UV tương tác với vật chất.

Tia UV có bước sóng từ 100–400 nm. Trong đó, tia UV-C (200–280 nm) là vùng có khả năng diệt khuẩn mạnh nhất. Hầu hết các vật liệu như nhựa, thủy tinh thường hấp thụ hoàn toàn tia này.
Thạch anh tinh khiết lại có dải truyền rộng, gần như trong suốt với UV-C, vì:

• Các electron trong liên kết Si–O có năng lượng kích thích cao hơn năng lượng photon của UV-C → tia không bị hấp thụ.
• Vật liệu không chứa tạp chất hấp thụ UV như sắt, đồng, mangan.
• Cấu trúc vô định hình của thạch anh giúp giảm hiện tượng tán xạ ánh sáng.

Do đó, ống thạch anh có thể truyền hơn 90% năng lượng UV-C ra môi trường nước, giúp hiệu suất diệt khuẩn đạt tối đa.

Bạn có thể xem thêm bài Nguyên lý truyền tia UV qua ống thạch anh để hiểu sâu về cơ chế quang học này.

Vì sao ống thạch anh không thể thay thế bằng vật liệu khác?

Nhiều người từng thử dùng ống thủy tinh borosilicate hoặc ống nhựa chịu nhiệt để thay thế, nhưng kết quả đều cho thấy hiệu quả khử trùng giảm mạnh. Lý do nằm ở hệ số truyền tia UV thấp và khả năng chịu hóa chất kém.

Sự khác biệt này lý giải vì sao ống thạch anh luôn được ưu tiên tuyệt đối trong mọi hệ thống UV.

Ngoài ra, thạch anh còn chịu được nhiệt độ lên đến 1000°C, không biến dạng khi đèn hoạt động lâu, không bị giòn vỡ do sốc nhiệt, và đặc biệt không bị ăn mòn bởi clo hoặc các hóa chất xử lý nước.

Nếu bạn muốn tìm hiểu về khía cạnh bảo vệ bóng đèn, có thể xem thêm bài Vai trò của ống thạch anh trong việc bảo vệ bóng đèn UV trước áp lực và hóa chất.

Tác động của ống thạch anh đến hiệu quả khử trùng

Ống thạch anh quyết định trực tiếp đến cường độ tia UV thực tế chiếu vào nước (Iₑ) – đây là đại lượng đo hiệu suất khử trùng. Nếu bề mặt ống bị cáu cặn, bẩn hoặc trầy xước, khả năng truyền tia sẽ giảm mạnh.

Theo các nghiên cứu thực nghiệm:

• Lớp cặn mỏng 0,1 mm trên bề mặt ống có thể làm giảm hiệu quả diệt khuẩn tới 35%.
• Cặn canxi hoặc sắt bám lâu ngày khiến tia UV bị phản xạ hoặc hấp thụ, làm hệ thống gần như mất tác dụng.

Vì vậy, trong vận hành, việc vệ sinh định kỳ ống thạch anh là bắt buộc để đảm bảo hiệu quả ổn định.

Cách nhận biết và bảo dưỡng ống thạch anh

• Kiểm tra định kỳ: Sau mỗi 500–1000 giờ vận hành, cần tháo ống ra kiểm tra độ trong và độ bám cặn.
• Vệ sinh đúng cách: Dùng dung dịch axit nhẹ hoặc dung dịch tẩy cặn chuyên dụng, không dùng vật cứng chà xát.
• Không chạm tay trần: Mồ hôi tay có thể để lại muối và dầu, làm giảm độ trong suốt.
• Thay mới khi nứt, mờ hoặc đổi màu: Vì khi đó khả năng truyền tia UV đã giảm đáng kể.

Vì sao nước vẫn bị nhiễm khuẩn dù đèn UV hoạt động?

Ngoài lỗi ở bóng đèn, nguyên nhân phổ biến nhất là ống thạch anh bị giảm khả năng truyền tia. Khi có lớp màng bẩn, chỉ khoảng 50–60% tia UV có thể xuyên qua.
Điều này khiến chỉ số liều UV (mJ/cm²) giảm thấp hơn mức diệt khuẩn tiêu chuẩn (≥30 mJ/cm²), dẫn đến vi sinh vật sống sót và tái phát triển trong hệ thống.

Bạn có thể đọc thêm bài Tại sao đèn UV khử trùng nước cần có ống thạch anh để hiểu rõ vai trò không thể thay thế của linh kiện này.

Tổng kết cơ chế vật lý truyền tia UV qua ống thạch anh

Khi bóng UV phát sáng, photon UV-C được phát ra. Các tia này gặp bề mặt ống thạch anh và truyền qua mà không bị hấp thụ đáng kể nhờ chỉ số khúc xạ và năng lượng liên kết Si–O phù hợp.
Sau khi xuyên qua ống, tia UV-C tiếp tục chiếu vào nước, phá vỡ liên kết DNA/RNA của vi sinh vật, khiến chúng mất khả năng sinh sản và chết.

Từ góc nhìn vật lý, hiệu quả này đạt tối ưu khi:

• Độ dày ống đồng đều (2 ± 0.2 mm)
• Bóng đèn đặt đúng tâm ống
• Nước chảy đều quanh ống, không tạo vùng “chết”
• Không có cặn hoặc bọt khí cản trở đường truyền tia.

Ống thạch anh trong đèn UV không chỉ là bộ phận “truyền sáng” đơn thuần mà là trái tim giúp tia UV phát huy tối đa hiệu quả diệt khuẩn. Cấu tạo vật liệu SiO₂ tinh khiết, khả năng truyền tia UV-C xuất sắc cùng độ bền vượt trội khiến nó trở thành lựa chọn duy nhất cho các hệ thống khử trùng hiện đại.

Vì vậy, việc chọn đúng loại ống, vệ sinh định kỳ và thay mới khi cần thiết chính là bí quyết để hệ thống UV luôn đạt hiệu quả khử trùng ổn định, tiết kiệm và an toàn.

Tham khảo thêm bài Ống thạch anh có tác dụng gì trong đèn UV để hiểu rõ hơn về ứng dụng thực tế trong từng hệ thống công nghiệp.