Nguyên lý truyền tia UV qua ống thạch anh – Cơ chế quan trọng quyết định hiệu quả khử trùng nước

Khi nhắc đến hệ thống đèn UV khử trùng nước, yếu tố được xem như “trái tim” giúp duy trì hiệu suất diệt khuẩn ổn định chính là ống thạch anh. Đây không chỉ là lớp vỏ bảo vệ bóng đèn mà còn là môi trường trung gian truyền tia cực tím (UV) ra ngoài nước một cách hiệu quả nhất. Tuy nhiên, cơ chế truyền tia này diễn ra như thế nào, tại sao lại cần vật liệu thạch anh mà không phải loại kính thông thường?
Trong bài viết này, Sao Việt sẽ cùng bạn phân tích nguyên lý truyền tia UV qua ống thạch anh, đi sâu vào bản chất vật lý – quang học – hóa học, để hiểu vì sao cấu kiện này là yếu tố “không thể thay thế” trong công nghệ khử trùng bằng tia cực tím.

Tham khảo thêm bài viết nền tảng:  Ống thạch anh là gì – Vai trò trong đèn UV khử trùng nước

Nguyên lý truyền tia cực tím qua vật liệu trong môi trường nước

Để tia UV có thể tiêu diệt vi sinh vật trong nước, năng lượng photon phát ra từ bóng đèn UV phải xuyên qua ống thạch anh mà không bị hấp thụ hay tán xạ quá nhiều.
Nguyên lý cơ bản gồm ba giai đoạn:

• Phát xạ tia cực tím (UV-C) từ bóng đèn (thường là 254 nm – bước sóng diệt khuẩn mạnh nhất).
• Truyền tia UV qua ống thạch anh, là lớp ngăn cách giữa môi trường không khí bên trong và nước bên ngoài.
• Tia UV tiếp xúc trực tiếp với nước, phá vỡ liên kết DNA/RNA của vi sinh vật, khiến chúng mất khả năng sinh sản.

Điểm mấu chốt ở đây nằm ở khả năng truyền tia UV của ống thạch anh, bởi bất kỳ vật liệu nào hấp thụ tia cực tím mạnh (như kính thông thường, nhựa, hay mica) đều sẽ làm giảm hiệu suất khử trùng rõ rệt.

Vì sao thạch anh có thể truyền tia UV vượt trội hơn các vật liệu khác?

Khác với kính thông thường (chỉ truyền tốt ánh sáng khả kiến 380–780 nm), thạch anh tinh khiết (SiO₂ tinh thể cao) có cấu trúc phân tử đặc biệt cho phép truyền tia UV sâu tới bước sóng 185 nm.

Một số đặc tính vật lý và quang học nổi bật của thạch anh bao gồm:

• Độ tinh khiết quang học cực cao: Hàm lượng kim loại nặng và tạp chất gần như bằng 0 giúp hạn chế hiện tượng hấp thụ năng lượng photon.
• Cấu trúc mạng tinh thể ổn định: Giúp tia UV truyền qua mà không bị tán xạ hay gãy khúc bất thường.
• Hệ số truyền tia UV lên tới 90–95%, cao hơn kính borosilicate hoặc thủy tinh soda-lime thông thường từ 4–6 lần.
• Khả năng chịu nhiệt và chịu sốc nhiệt tốt: Giúp duy trì tính ổn định của hệ thống khi bóng đèn UV hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao.

Từ đó có thể hiểu: thạch anh không chỉ là vật liệu truyền tia UV hiệu quả mà còn là yếu tố duy trì độ bền và độ chính xác quang học cho toàn hệ thống.

Phân tích nguyên lý truyền tia UV qua ống thạch anh – Cơ chế vật lý và quang học

Khi tia UV phát ra từ bóng đèn, các photon sẽ truyền theo dạng sóng điện từ. Lúc này, ống thạch anh đóng vai trò là môi trường quang học trung gian, cho phép năng lượng ánh sáng đi qua mà không bị mất đáng kể.

Cơ chế này được giải thích qua 3 hiện tượng vật lý cơ bản:

Hấp thụ chọn lọc

Các photon có năng lượng quá cao (bước sóng thấp hơn 180 nm) có thể bị thạch anh hấp thụ một phần. Tuy nhiên, vùng UV-C diệt khuẩn (200–280 nm) – đặc biệt là bước sóng 254 nm – lại được truyền qua gần như trọn vẹn, giúp duy trì hiệu quả khử trùng tối ưu.

Tán xạ ánh sáng tối thiểu

Bề mặt trong của ống thạch anh được xử lý cực kỳ mịn, hạn chế điểm khuyết tán xạ ánh sáng. Vì vậy, tia UV giữ nguyên hướng truyền thẳng, tránh mất năng lượng khi đi qua thành ống.

Phản xạ nội và khúc xạ kiểm soát

Với chỉ số khúc xạ ~1.46, thạch anh giúp tia UV truyền ổn định, không gây phản xạ ngược vào bóng đèn, đồng thời giảm tổn thất năng lượng.

Bài viết liên quan: Cấu tạo chi tiết của ống thạch anh đèn UV

Ảnh hưởng của độ dày và độ tinh khiết ống thạch anh đến khả năng truyền tia UV

Không phải ống thạch anh nào cũng có khả năng truyền tia UV tốt như nhau. Các yếu tố quyết định hiệu quả gồm:

• Độ dày ống: Ống càng dày thì tia UV bị hấp thụ càng nhiều. Các nhà sản xuất chuyên nghiệp thường tính toán độ dày lý tưởng trong khoảng 1.5–2.5 mm.
• Chất lượng thạch anh: Thạch anh nung chảy (fused quartz) có độ truyền tia UV cao nhất.
• Tạp chất trong vật liệu: Ion sắt (Fe³⁺), titan (Ti⁴⁺), hoặc nhôm (Al³⁺) dù chỉ ở hàm lượng ppm cũng có thể làm giảm đáng kể khả năng truyền tia cực tím.
• Bề mặt xử lý: Nếu bị trầy xước, mờ, hoặc bám cặn (do canxi, magie), khả năng truyền tia sẽ giảm mạnh.

Vai trò của ống thạch anh trong việc tối ưu hóa hiệu suất diệt khuẩn

Ống thạch anh không chỉ truyền tia UV mà còn đảm bảo điều kiện hoạt động lý tưởng cho bóng đèn:

• Cách ly hoàn toàn giữa điện và nước, ngăn rò điện.
• Giảm tổn thất nhiệt, giữ nhiệt độ bóng đèn ổn định giúp tia UV phát ra ở bước sóng tối ưu (254 nm).
• Bảo vệ bóng đèn khỏi ăn mòn, do clo, ozone, hoặc hóa chất trong nước.

Chính nhờ đặc tính kép này (truyền tia + bảo vệ vật lý), đèn UV có thể duy trì tuổi thọ bóng cao hơn 30–40% so với hệ thống không có ống thạch anh hoặc dùng vật liệu thay thế.

Xem thêm: Vì sao ống thạch anh bảo vệ bóng đèn UV và tăng hiệu quả diệt khuẩn
Tham khảo thêm: Vai trò của ống thạch anh trong việc bảo vệ bóng đèn UV trước áp lực và hóa chất

Khi nào hiệu suất truyền tia UV qua ống thạch anh giảm?

Trong thực tế vận hành, nhiều hệ thống khử trùng nước công nghiệp gặp tình trạng hiệu quả diệt khuẩn giảm dù bóng đèn vẫn hoạt động bình thường. Nguyên nhân phần lớn nằm ở ống thạch anh bị bẩn hoặc suy giảm độ truyền tia do:

• Cặn bám từ muối khoáng, ion kim loại, hoặc cặn bẩn hữu cơ.
• Bề mặt bị mờ do nhiệt độ cao lâu ngày.
• Lắng đọng silic hoặc oxy hóa bề mặt.
• Mài mòn cơ học trong quá trình bảo trì.

Khi đó, cường độ UV thực tế giảm 20–40%, dẫn đến nước không được khử trùng hoàn toàn.
Việc định kỳ kiểm tra độ truyền tia UV của ống bằng UV Sensor hoặc máy đo độ trong quang học là giải pháp chuyên nghiệp mà Sao Việt luôn khuyến nghị.

Nguyên lý truyền tia UV qua ống thạch anh là minh chứng rõ ràng cho mối liên hệ giữa vật lý quang học và hiệu suất khử trùng nước.
Thạch anh không chỉ đảm bảo tia cực tím đi qua với cường độ tối đa, mà còn bảo vệ hệ thống đèn UV hoạt động ổn định lâu dài, giúp duy trì chất lượng nước đầu ra an toàn, đạt chuẩn vi sinh.

Ở cấp độ công nghiệp, việc lựa chọn ống thạch anh đạt tiêu chuẩn truyền tia ≥90% UV-C là yếu tố bắt buộc nếu muốn đảm bảo chất lượng khử trùng đạt chuẩn HACCP hoặc WHO.

Tham khảo thêm: Tại sao ống thạch anh đèn UV không bị nước và nhiệt độ làm hư hại nhanh