Bách khoa Toàn thư Việt Nam - Đóng góp của thành viên [vi]

Nước cứng

2021-03-03T01:32:53Z

Ltn:

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Hard Water Calcification.jpg|nhỏ|Vòi nước bị đóng cặn vôi gây ra do nước cứng]]
'''Nước cứng''' là loại [[nước]] chứa hàm lượng [[Khoáng vật|chất khoáng]] cao, chủ yếu là hai ion canxi (Ca2+) và magie (Mg2+).<ref name="Cotruvo 2018 p. 131">{{chú thích sách | last=Cotruvo | first=J. | title=Drinking Water Quality and Contaminants Guidebook | publisher=CRC Press | year=2018 | isbn=978-1-351-11045-7 | url=https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131] | ref=harv}}</ref> Nước cứng được hình thành khi nước ngầm thấm qua những lớp [[đá vôi]], [[đá phấn]], hoặc [[thạch cao]]<ref>{{chú thích web|url=http://wellowner.org/water-quality/ground-water-quality-basics/|title=Hard water|publisher=National Groundwater Association|access-date=28 June 2019}}</ref> mà những loại đá này vốn chứa lượng lớn ion [[canxi]] và [[magie]] ở dạng hợp chất cacbonat, hidro cacbonat, sulfat. Trong nước cứng cũng có thể chứa các ion [[sắt]]; khi bị oxi hóa, những ion này sẽ xuất hiện dưới dạng vết ố nâu đỏ trên bề mặt [[Men gốm|vật liệu tráng men]] hoặc vải sợi.<ref name="Hard water Encyclopedia Britannica">{{chú thích web | title=Hard water - Definition, Examples, & Facts | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/science/hard-water | access-date=2020-09-05 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200623050508/https://www.britannica.com/science/hard-water | archivedate=2020-06-23 |url-status=dead }}</ref> Ngoài ra, những ion kim loại khác như [[stronti]], [[nhôm]], [[bari]], [[mangan]], [[kẽm]] cũng có thể gây ra hiện tượng nước cứng, nhưng vì hàm lượng trong nước của những ion này thường rất thấp nên xem như không đáng kể.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 314">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Treatment | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-230-1 | url=https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA314 314] | ref=harv}}</ref>

Nước cứng là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp; do vậy, độ cứng của nước công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh những tổn hại cho các thiết bị sử dụng nước như [[Lò hơi công nghiệp|lò hơi]], [[tháp giải nhiệt]]. Trong hoạt động thường ngày, nước cứng thường được nhận biết thông qua hiện tượng [[Xà phòng|xà bông]] khi pha trong nước sẽ không tạo bọt hoặc sự hình thành cặn vôi trong bình nấu nước sôi.<ref name="WHO 2003 1">{{chú thích web | author=World Health Organization | title=Hardness in Drinking-water, Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality (GDWQ) | website=WHO.int | url=http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/hardness.pdf | year=2003 | ref=harv}}</ref> Khi nước cứng trở thành vấn đề nghiêm trọng, người ta cần sử dụng hệ thống làm mềm nước (khử cứng) để giảm tác hại gây ra bởi nước cứng.

== Nguyên nhân ==
[[Tập tin:Dolomite.jpg|nhỏ|Một mẫu đá khoáng [[dolomit]] (CaCO3*MgCO3)]]
Độ cứng của nước được xác định bằng nồng độ những [[Ion|cation]] [[đa hóa trị]] tồn tại trong nước. Cation đa hóa trị là những hợp chất phức kim loại có điện tích lớn hơn 1+ (nghĩa là có [[Hóa trị|hóa trị II]] trở lên). Những cation thường gặp trong nước cứng là ion Ca2+ và Mg2+. Khi nước thẩm thấu qua các lớp đá khoáng trong [[tầng ngậm nước]], những ion này sẽ hòa tan vào nước.<ref name="Water – Ullmann" /> Loại đá khoáng chứa ion canxi và magie chủ yếu là [[dolomit]] (CaMg(CO3)2).<ref name="Nichols 2013 p. 29">{{chú thích sách | last=Nichols | first=G. | title=Sedimentology and Stratigraphy | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2013 | isbn=978-1-118-68777-2 | url=https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC | page=[https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC&pg=PA29 29]}}</ref> [[Mưa|Nước mưa]] và [[nước cất]] được xem là "nước mềm" vì chứa rất ít ion kim loại.<ref name="Water – Ullmann">{{chú thích sách | last=| first=| title=Water – Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry | publisher=[[John Wiley & Sons|Wiley-VCH]] | publication-place=Weinheim, Germany | date=2000-06-15 | isbn=3-527-30673-0 | doi=10.1002/14356007.a28_001 | page=}}</ref>

Nước mưa, vốn chứa ít ion kim loại, khi rơi xuống đất sẽ trở thành [[nước mặt]], kéo theo các tạp chất như bụi bẩn, chất rắn hòa tan, huyền phù, đồng thời khí [[Cacbon điôxít|cacbon dioxit]] (CO2) có trong không khí. Khí CO2 trong các quá trình sinh học, như [[Phân hủy sinh học|phân hủy sinh vật]], sẽ tiếp tục được hấp thu vào nước mặt và các tầng nước ngầm. Cacbon dioxit khi hòa tan trong nước sẽ tạo dung dịch [[axit cacbonic]] (H2CO3). Axit cacbonic sẽ hòa tan những loại đá khoáng như dolomit (chứa [[canxi cacbonat]] và [[magie cacbonat]]) hoặc [[đá vôi]] (chứa canxi cacbonat) theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.35-36">{{chú thích sách | last=McEachern | first=R. | last2=Wist | first2=W. | last3=Lehr | first3=J.H. | title=Water Softening with Potassium Chloride: Process, Health, and Environmental Benefits | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2009 | isbn=978-0-470-52904-1 | url=https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC | page=35-36 | ref=harv}}</ref>

:H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO−3
:H2CO3 + MgCO3 → Mg2+ + 2HCO−3

Các quá trình hấp thụ CO2 vào nước và phản ứng hòa tan các đá khoáng cacbonat sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được dung dịch loãng chứa muối [[Bicacbonat|hidro cacbonat]] (bicacbonat) của canxi và magie. Quá trình [[cân bằng hóa học]] được thể hiện bằng phương trình tổng quát như sau (với canxi cacbonat đại diện cho độ cứng của nước):

:CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca2+ + 2HCO3-
[[Tập tin:Vodní kámen.jpg|nhỏ|Tinh thể canxi cacbonat trong cặn vôi dưới kính hiển vi]]
Phản ứng trên có tính thuận nghịch. Nước mưa chứa CO2 sẽ phản ứng với canxi cacbonat và hòa tan ion canxi vào nước, đồng thời tạo ion hidro cacbonat. Ngược lại, khi cacbon dioxit bị bay hơi khỏi dung dịch (ví dụ, do nhiệt độ tăng lên), cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về bên trái theo [[nguyên lý Le Chatelier]], tạo thành [[kết tủa]] canxi cacbonat dạng rắn, dưới dạng đá [[canxit]], [[thạch nhũ]], hoặc [[măng đá]].

=== Độ cứng tạm thời ===
{{chính|Độ cứng cacbonat}}

Độ cứng tạm thời, hay còn gọi là "độ cứng cacbonat", là độ cứng tương đương với hàm lượng cacbonat và hidro cacbonat trong nước của ion canxi và magie.<ref name="TCVN 6224 1996">{{chú thích sách | author=Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường | title=Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6224:1996 (ISO 6059: 1984 (E)) – Chất lượng nước - Xác định tổng số canxi và magie - Phương pháp chuẩn độ EDTA – Phụ lục A | publisher= | year=1996 | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-6224-1996-chat-luong-nuoc-xac-dinh-tong-so-canxi-va-magie | page=10 | ref=harv}}</ref><ref name="DeZuane 1997 p. 32">{{chú thích sách | last=DeZuane | first=J. | title=Handbook of Drinking Water Quality | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=1997 | isbn=978-0-471-28789-6 | url=https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA32 32] | ref=harv}}</ref> Nước cứng tạm thời chứa hai cation canxi và magie (Ca2+, Mg2+) cùng hai anion cacbonat và hidro cacbonat (CO32−, HCO3−). Hàm lượng cation Ca2+, Mg2+ liên quan đến độ cứng của nước. Tuy nhiên, khác với độ cứng vĩnh cửu, độ cứng tạm thời có thể được xử lý bằng phương pháp dùng nhiệt độ. Khi đun sôi nước, ion hidro cacbonat sẽ tạo thành cacbonat, phương trình cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, tạo thành canxi cacbonat kết tủa khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt trở thành "nước mềm". Phản ứng hóa học được biểu diễn như sau:<ref name="DeZuane 1997 p. 32" />
:Ca(HCO3)2 + ΔH -> CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Với ΔH là nhiệt được cung cấp.

=== Độ cứng vĩnh cửu ===
Độ cứng vĩnh cửu, hay còn gọi là độ cứng phi cacbonat, gây ra do sự có mặt của các muối clorua và sulfat như CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4. Những muối này không kết tủa khi đun sôi nước do các ion clorua và sulfat không bị phân hủy do nhiệt như ion hidro cacbonat trong nước cứng tạm thời. Do vậy, loại độ cứng này không thể xử lý được bằng phương pháp nhiệt.<ref name="Sengupta 2013 1">{{cite journal |last1= Sengupta |first1=P. |date=2013 |title=Potential health impacts of hard water |url= |journal=International journal of preventive medicine |volume=4 |issue=8 |pages=866-875 |doi= |pmc=3775162 |pmid= 24049611 | ref=harv}}</ref> Khi một mẫu dung dịch nước được đun sôi, các ion hidro cacbonat (HCO3-) sẽ phân hủy thành CO32- và khí CO2; các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ kết hợp với CO32- tạo kết tủa. Phản ứng này sẽ dừng lại khi toàn bộ lượng ion cacbonat đã được kết tủa hết. Lượng ion Ca2+ và Mg2+ còn lại trong dung dịch chính là độ cứng vĩnh cửu.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.41 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=41-42 }}</ref> Độ cứng vĩnh cửu có thể được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, khi sử dụng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2), [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3), hoặc [[natri aluminat]] (Na2Al2O4).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 7">{{chú thích web | title=Precipitation Softening | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906003055/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | archivedate=2020-09-06 |url-status=dead }}</ref>

=== Độ cứng toàn phần ===
Độ cứng toàn phần, hay còn gọi là "độ cứng tổng", bằng tổng hàm lượng toàn bộ các ion canxi và magie có trong dung dịch, được thể hiện dưới hàm lượng tương đương của CaCO3.<ref name="TCVN 6224 1996" /><ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=42 }}</ref> Nói cách khác, độ cứng toàn phần bằng giá trị độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu cộng lại. Độ cứng tạm thời được tính dựa trên hàm lượng ion hidro cacbonat, còn độ cứng toàn phần được tính dựa trên hàm lượng ion canxi và magie. Nếu độ cứng tạm thời lớn hơn hoặc bằng độ cứng toàn phần, có thể suy ra giá trị độ cứng vĩnh cửu bằng 0 và độ cứng tạm thời chính là giá trị độ cứng của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42" />

== Ảnh hưởng ==
===Trong sinh hoạt===
[[Tập tin:Waterboiler-internal.jpg|nhỏ|Cặn vôi bên trong bình nấu nước gây ra do nước cứng|thế=|240x240px]]
Nước cứng làm giảm khả năng tạo bọt của [[xà phòng]], đồng thời làm giảm tác dụng tẩy rửa do tạo muối canxi không tan. Công thức hóa học của xà bông có chứa những hợp chất muối [[natri]] của những axit hữu cơ mạch dài, như [[natri oleat]] hoặc [[natri stearat]]. Khi sử dụng trong nước mềm, muối natri stearat hòa tan dễ dàng, ion stearat (C17H35COO−) thể hiện hoạt tính tẩy rửa của xà phòng. Tuy nhiên, khi sử dụng trong nước cứng, ion stearat sẽ phản ứng kết hợp với ion canxi hoặc magie tạo thành hợp chất tủa không tan, [[canxi stearat]], thường được gọi là "váng bọt xà phòng" (''soap scum''). Những váng bọt này khi bám trên quần áo sẽ khó tẩy sạch, đồng thời làm giảm độ bền quần áo và vải sợi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 37">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=37 }}</ref>
:C17H35COO–Na → C17H35COO− + Na+
:2 C17H35COO− + Ca2+ → (C17H35COO)2Ca↓
Đối với các đồ dùng trong nhà bếp để đun nấu như [[Ấm nước|bình nấu nước]] hoặc [[bình nóng lạnh]], CaCO3 tạo ra khi đun sôi nước, gây cáu cặn, làm giảm khả năng [[Dẫn nhiệt|dẫn]] và [[Trao đổi nhiệt|truyền nhiệt]], tiêu hao điện năng, gây lãng phí, đồng thời nhanh làm hỏng sản phẩm.<ref name="Taggart 2014 p. 40">{{chú thích sách | last=Taggart | first=C. | title=Her Ladyship's Guide to Running One's Home | publisher=Pavilion Books | year=2014 | isbn=978-1-909881-13-6 | url=https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 | page=[https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 40]}}</ref> Dùng nước cứng để nấu ăn sẽ làm đậu, thịt khó chín, làm mất vị và màu sắc thực phẩm.<ref name="Boston College Newspapers 1890">{{chú thích web | title=The Sacred Heart Review, Volume 4, Number 19 - 4 October 1890 | website=Boston College Newspapers | date=1890-10-04 | url=https://newspapers.bc.edu/?a=d&d=BOSTONSH18901004-01.2.38 | access-date=2020-09-06}} Trích: "''Peas and beans cooked in hard water, containing lime or gypsum, will not boil tender, because these substances harden vegetable caseine. Many vegetables, as onions, boil nearly tasteless in soft water, because all the flavor is boiled out.''"</ref><ref name="Chiang 2016">{{chú thích web | last=Chiang | first=Jack C. | title=Effects of Water Hardness on Processed Quality of Carrots, Sweet Cherries, and Apricots – Master's Degree Thesis |series= All Graduate Theses and Dissertations |
website=Utah State University | date=1970 | url=https://digitalcommons.usu.edu/etd/5115 | access-date=2020-09-06 | page=[https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=6150&context=etd 29-30]}}</ref>

===Trong công nghiệp===
[[Tập tin:Limescale-in-pipe.jpg|nhỏ|Cặn vôi bám bên trong một đường ống, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt]]
Các thành phần canxi cacbonat và magie cacbonat trong nước cứng dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị nhiệt, gây tắc nghẽn, làm giảm hệ số lưu lượng trên đường ống, gây hư hỏng dẫn đến chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao.<ref name="Newcombe Dixon 2006 p. 257">{{chú thích sách | last=Newcombe | first=G. | last2=Dixon | first2=D. | title=Interface Science in Drinking Water Treatment: Theory and Applications | publisher=[[Elsevier]] | series=ISSN | year=2006 | isbn=978-0-08-053051-2 | url=https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC | page=[https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC&pg=PA257 257]}}</ref><ref name="American Water Works Association 2003 p. 125">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Quality | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-232-5 | url=https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 | page=[https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 125]}}</ref>

Nước cứng không được phép dùng trong [[Lò hơi công nghiệp|nồi hơi]] vì khi đun sôi nước cứng thì [[canxi cacbonat]] (CaCO3) và [[magie cacbonat]] (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi tạo thành một lớp cáu cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, đồng thời gây hiện tượng quá nhiệt cho kim loại, dẫn đến hư hỏng thiết bị, đường ống kim loại.<ref name="Amjad 2010 p.310">{{chú thích sách | last=Amjad | first=Z. | title=The Science and Technology of Industrial Water Treatment | publisher=CRC Press | year=2010 | isbn=978-1-4200-7145-0 | url=https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=carbonate+scale+in+boiler&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiqhofc_9TrAhWrITQIHQmoCqU4ChDoATACegQIAhAC#v=onepage&q=15.3%20scale%20and%20deposit%20control&f=false 310] | ref=harv}}</ref><ref name="Durand 2015 p. 318">{{chú thích sách | last=Durand | first=W.F. | title=Practical Marine Engineering | publisher=Europäischer Hochschulverlag | year=2015 | isbn=978-3-95427-437-6 | url=https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ&pg=PA318 318]}}</ref> Chỉ cần một lớp mỏng canxi cacbonat với độ dày 0,8 mm (khoảng 1/32 in) bên trong bề mặt nồi hơi sẽ làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn 5%–8% so với nồi hơi có bề mặt không bị bám cáu cặn.<ref name="Amjad 2010 p.310" />

===Đối với sức khỏe===
Vào thập niên 1970, người ta phát hiện tỉ lệ mắc [[bệnh tim mạch]] của người dân ở những vùng sử dụng nước mềm cao hơn so với tỉ lệ của những người ở khu vực sử dụng nước cứng. Nhiều nghiên cứu được thực hiện ở Hoa Kỳ, Canada, và Châu Âu, để tìm ra mối liên quan hệ giữa ảnh hưởng của nước cứng trong sinh hoạt đối với những bệnh tim mạch. Tuy những nghiên cứu này chỉ mới ở giai đoạn sơ bộ và chưa hoàn thiện, người ta đưa ra giả thiết rằng những nguyên tố như canxi, magie, [[mangan]], trong nước cứng có tác dụng ngăn ngừa nguyên nhân gây bệnh tim mạch.<ref name="DeZuane 1997 p. 34">{{harvnb | DeZuane | 1997 | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA34 34]}}</ref>

Nhiều nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng nước cứng không những không có hại cho sức khỏe con người mà ngược lại, còn có một số lợi ích nhờ vào các nguyên tố canxi và magie có trong nước cứng. Nước cứng được xem là nguồn cung cấp hai nguyên tố này cho cơ thể con người.<ref name="Sengupta 2013 5">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Hard water has no known adverse health effect, WHO says at its Geneva Conference. In addition, hard water, particularly very hard water, could provide an important supplementary contribution to total calcium and magnesium intake. The health effects of hard water are mainly due to the effects of the salts dissolved in it, primarily calcium and magnesium.''"</ref> Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), canxi và magie là những nguyên tố thiết yếu và có lợi ích đối với con người. Việc thiếu hụt những nguyên tố này trong khẩu phần dinh dưỡng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe.<ref name="WHO 2003 p.2">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=2}}</ref> Ví dụ, việc thiếu hụt hấp thu canxi sẽ dễ dẫn đến các bệnh như [[ung thư dạ dày]]<ref name="Sengupta 2013 2">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Some studies suggest there was a significant protective effect of calcium intake from drinking water on the risk of gastric cancer.''"</ref>, [[loãng xương]], [[sỏi thận]], [[Ung thư đại trực tràng|ung thư đại tràng]], [[cao huyết áp]], [[Tai biến mạch máu não|đột quỵ]], [[bệnh động mạch vành]]...<ref name="WHO 2003 p.3">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=3}}</ref> Nguyên tố magie là loại cation nhiều thứ tư trong cơ thể con người và nhiều thứ hai trong các [[Nội bào|dịch nội bào]].<ref name="WHO 2003 p.4">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=4}}</ref> Nguyên tố magie được cho là yếu tố có lợi chính trong nước cứng.<ref name="Cotruvo 2018">{{harvnb|Cotruvo | 2018 | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131]}} Trích: "(...) ''If there is a benefit, it is associated specifically with the magnesium content the hardness per se.''"</ref> Việc thiếu hụt magie sẽ dễ dẫn đến các bệnh như cao huyết áp, bệnh động mạch vành, giảm hấp thụ [[insulin]]<ref name="WHO 2003 p.4" />, [[tiểu đường]], [[ung thư thực quản]], [[ung thư buồng trứng]]<ref name="Sengupta 2013 3">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''One of the strongest epidemiological evidences of significant protective effect of magnesium intake from the drinking water was that gave for the risk for esophageal cancer and ovarian cancer.''" "''Hypomagnesaemia is a common feature in subjects with type-2 diabetes'' (...) ''Recent evidence suggests that sub-clinical magnesium deficiency may precipitate a diabetic state.''"</ref>. Một số nghiên cứu khuyến cáo nồng độ tối ưu trong nước uống của nguyên tố canxi là 40–80 [[Phần triệu|ppm]] và magie là 20–30 ppm; còn độ cứng toàn phần trong nước tối ưu là 2–4 mmol/L (tương đương 200–400 ppm).<ref name="Koz">František Kožíšek [http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf Health significance of drinking water calcium and magnesium] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130418115258/http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf |date=2013-04-18 }}, 2003</ref>

==Phương pháp làm mềm nước==
Có nhiều phương pháp làm mềm nước cứng (khử cứng); một số phương pháp phổ biến trong công nghiệp và dân dụng là:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA43 43] }}</ref>
*Trao đổi ion (''Ion exchange'')
*Khử muối khoáng (''Demineralization'')
*Kết tủa (''Precipitation'')
*Thẩm thấu ngược (''Reverse osmosis'')
*Chưng cất (''Distillation'')
Bốn phương pháp — khử khoáng, thẩm thấu ngược, chưng cất, kết tủa — làm giảm độ cứng của nước bằng cách loại bỏ chất khoáng rắn khỏi nước. Lượng [[tổng chất rắn hòa tan]] (TDS) trong nước được giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp trao đổi ion giảm độ cứng bằng cách loại bỏ các ion gây độ cứng là canxi–magie và thay thế bằng các ion đơn hóa trị như natri, kali. Trong phương pháp trao đổi ion, lượng tổng chất rắn hòa tan của dung dịch không thay đổi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43" />

===Trao đổi ion===
{{Chính|Trao đổi ion}}
Trong phương pháp làm mềm nước cứng bằng công nghệ [[trao đổi ion]], nước cần xử lý được đi qua một thiết bị chứa những hạt nhựa trao đổi ion. Những hạt nhựa này được làm từ một loại [[polyme]] có chứa những nhóm chức mang điện tích âm. Những nhóm chức liên kết yếu với những ion trái dấu (mang điện tích dương) để đảm bảo trung hòa điện tích. Khi tiếp xúc với dung dịch, những ion trái dấu này (cation) dễ dàng tách ra khỏi polyme, di chuyển vào dung dịch, đồng thời ''trao đổi'' với những cation khác có sẵn trong dung dịch và liên kết với các nhóm thế của polyme. Trong các thiết bị làm mềm nước dân dụng, polyme trong hạt nhựa trao đổi ion có chứa nhóm chức \sSO3-. Cation trong polyme là natri (Na+) sẽ ''trao đổi'' với cation canxi (Ca2+) trong nước cứng theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44" />

:2 R\sSO3-\sNa+ + Ca2+ <-> (R\sSO3-)2Ca + 2 Na+
Với R là công thức rút gọn của mạch polyme.

Nước cứng sau khi đi qua lớp hạt trao đổi ion sẽ giảm nồng độ Ca2+ và Mg2+, đồng thời chứa ion Na+ trong dung dịch. Khi những hạt nhựa trở nên bão hòa canxi và magie, tức không thể trao đổi thêm ion, nước cứng đi qua thiết bị trao đổi ion sẽ không thể được làm mềm nữa. Lúc này, thiết bị trao đổi ion cần được hoàn nguyên bằng cách bơm dung dịch muối [[natri clorua]] (NaCl) nồng độ 10% vào thiết bị.<ref name="Betz 1980 p.52">{{chú thích sách |author=Betz Laboratories Inc. | title=Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition | publisher=Betz | year=1980 | url=https://books.google.ca/books?id=5RpSAAAAMAAJ | archiveurl=https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/mode/1up | archivedate=2012-06-20 | page=[https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/page/52/mode/1up 52] | ref=harv}}</ref> Nồng độ natri cao trong dung dịch hoàn nguyên sẽ để dịch chuyển phản ứng trao đổi ion về bên trái, hạt nhựa sẽ mất cation Ca2+ và liên kết lại với cation Na+.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA44 44] }}</ref>

[[Tập tin:Ion exchange resin beads.jpg|thumb|Hạt nhựa trao đổi ion [[zeolit]]]]
Có 4 loại hạt nhựa trao đổi ion cơ bản là cation axit mạnh (SAC), cation axit yếu (WAC), anion bazo mạnh (SBA), và anion bazo yếu (WBA).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8">{{chú thích web | title=Chapter 08- Ion Exchange, Water Demineralization & Resin Testing | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906213729/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Trong đó, phương pháp [[natri]] [[zeolit]], sử dụng loại hạt nhựa cation axit mạnh (SAC), là phương pháp làm mềm nước trao đổi ion phổ biến nhất.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /> Zeolit được chia thành ba loại sản phẩm chính: zeolite đá xanh (''greensand'' – dùng cho nước có độ cứng tương đối thấp), zeolite cacbon (dùng cho độ cứng trung bình), và zeolite nhựa [[styren]] (dùng cho độ cứng cao).<ref name="Applebaum 2013 p. 43">{{chú thích sách | last=Applebaum | first=S.B. | title=Demineralization by Ion Exchange: In Water Treatment and Chemical Processing of Other Liquids | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-1-4832-5842-3 | url=https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ&pg=PA43 43]}}</ref> Phản ứng hóa học của cột trao đổi ion zeolit như sau:

:|Na2Z + Ca2+ <-> CaZ + 2 Na+
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Ưu điểm của phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion là thiết bị vận hành đơn giản, hiệu quả, chi phí đầu tư quy trình vận hành tự động hoặc bán tự động thấp. Ngoài ra, nước muối NaCl dùng để hoàn nguyên cũng rẻ tiền và an toàn khi sử dụng. Hệ thống trao đổi ion có thể hoạt động hiệu quả ở nhiều loại kích cỡ thiết bị từ nhỏ đến lớn, nên hệ thống này phù hợp cho nhiều ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ xử lý được độ cứng nhưng không xử lý được chất rắn hòa tan, [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]], và silica (SiO2) trong nước. Thiết bị làm mềm nước natri zeolit không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống làm mềm nước vôi–sođa (phương pháp kết tủa). Ngoài ra, phương pháp trao đổi ion không hiệu quả với loại nước có [[độ đục]] cao. Nếu nước đầu vào có độ đục cao, cần sử dụng hệ thống tách–lọc trước khi đưa vào thiết bị làm mềm nước. Hạt nhựa trao đổi ion cũng dễ bị ảnh hưởng bởi [[kim loại nặng]] và những [[chất oxy hóa]] mạnh như [[clo]]. Những chất này cần được xử lý bằng [[natri sunfit]] hoặc đi qua bộ lọc [[than hoạt tính]] trước khi làm mềm bằng cột trao đổi ion.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

===Khử muối khoáng===
Trong một số quy trình và thiết bị đặc biệt như nồi hơi áp suất cao hoặc sản xuất thiết bị điện tử, việc làm mềm nước cứng không chỉ loại bỏ các ion độ cứng (Ca2+, Mg2+), mà còn yêu cầu phải loại bỏ toàn bộ chất rắn hòa tan từ các ion khác như Na+, SiO2, Cl-, SO42-, NO3-. Do vậy, cần dùng đến phương pháp khử muối khoáng.

Phương pháp khử muối khoáng, hay còn gọi là phương pháp khử ion (''deionization''), về bản chất là một phương pháp trao đổi ion nhằm loại bỏ toàn bộ muối vô cơ khỏi dung dịch nước. Trong phương pháp này, hai thiết bị trao đổi ion được đặt và hoạt động nối tiếp nhau. Thiết bị đầu tiên được gọi là cột trao đổi cation. Trong thiết bị này, các ion canxi, magie, natri... sẽ được trao đổi với ion hidro (H+). Dung dịch trước lọc khi đi qua cột trao đổi cation sẽ được chuyển hóa thành axit dưới dạng axit sunfuric, axit hidroclorua, cacbon dioxit. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:CaSO4 + H2Z -> CaZ + H2SO4
:Ca(HCO3)2 + H2Z -> CaZ + 2 H2O + 2 CO2
:2 NaCl + H2Z -> Na2Z + HCl
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Dung dịch sau lọc là dung dịch có tính axit, được di chuyển tiếp qua thiết bị thứ hai, được gọi là cột trao đổi anion. Tại đây, các anion gốc axit như SO42-, Cl-, NO3- sẽ được trao đổi với ion hydroxit (OH-). Dung dịch sau lọc của cột trao đổi anion sẽ là dung dịch nước không chứa ion. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:H2SO4 + Z(OH)2 -> ZSO4 + 2 H2O
:2 HCl + Z(OH)2 -> ZCl2 + 2 H2O

Khi vật liệu trao đổi ion trong các thiết bị khử muối khoáng đã bão hòa và giảm hẳn hiệu quả, chúng có thể được hoàn nguyên tương tự như cột trao đổi ion natri zeolit, chỉ khác là thay vì sử dụng nước muối thì người ta dùng dung dịch axit và bazo loãng làm dung dịch hoàn nguyên. Đối với cột trao đổi cation, hạt nhựa zeolit được bơm dung dịch H2SO4 hoặc HCl loãng (nồng độ ban đầu là 2%, tăng dần đến khoảng 6%–8%). Cột trao đổi anion được hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH loãng (nồng độ khoảng 4%).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

Ưu điểm của phương pháp khử muối khoáng là dung dịch sau khi lọc sẽ hoàn toàn loại bỏ các ion, nên được gọi là "nước khử ion" (''deionized water'').<ref name="Dyer 2013">{{chú thích sách | last=Dyer | first=A. | title=Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering | chapter=Ion Exchange | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-0-12-409547-2 | doi=10.1016/b978-0-12-409547-2.04402-4 | page=}}</ref> Tuy nhiên, do sử dụng các dung dịch axit và bazo như H2SO4, HCl, NaOH, KOH để hoàn nguyên, dễ gây nguy hiểm cho người vận hành. Ngoài ra, hạt zeolit sử dụng trong thiết bị rất đắt tiền khi cần thay thế. Do vậy, phương pháp này thường chỉ áp dụng cho những hệ thống công nghiệp lớn.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 47">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA47 47]}}</ref>

=== Kết tủa ===
{{Chính|Làm mềm nước bằng vôi–sođa}}
Phương pháp kết tủa, hay còn gọi là "phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa", là một trong hai phương pháp làm mềm nước phổ biến nhất.<ref name="Spellman 2008 p. 437">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations, Second Edition | publisher=Taylor & Francis | year=2008 | isbn=978-1-4200-7530-4 | url=https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC | page=[https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC&pg=PA437 437]}}</ref> Phương pháp này loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở [[tính tan]] thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 bằng cách dùng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2) và [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3). Sau đó, các hợp chất kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 vừa tạo kết tụ tạo thành bông cặn, sau đó được tách ra khỏi nước bằng các biện pháp kết bông, lắng, lọc.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA318 318]}}</ref>

Trong phương pháp làm mềm nước kết tủa, [[PH|độ pH]] cần được điều chỉnh để dung dịch có tính [[Bazơ|kiềm]] để hỗ trợ phản ứng tạo kết tủa (tối thiểu pH 9,4 đối với Ca2+ và pH 10,6 đối với Mg2+). Do vậy, vôi tôi (Ca(OH)2) được sử dụng để tăng pH cho dung dịch.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

Đối với độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời), Ca(OH)2 được cho vào nước. Ca(OH)2 phản ứng với các ion độ cứng theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ HCO3- thành CO32- và tạo thành hợp chất CaCO3 ít tan. Các phản ứng xảy ra trong quá trình làm mềm nước cứng bao gồm:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />
:H2O + CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + 2 H2O
:Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + 2 H2O
:Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2 H2O

Đối với độ cứng phi cacbonat (độ cứng vĩnh cửu), sođa và vôi cùng được thêm vào nước để tạo kết tủa theo các phản ứng sau:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /><ref name="American Water Works Association 2003 p. 322">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA322 322]}}</ref>
:CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + Na2SO4
:CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + 2 NaCl
:MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 -> Mg(OH)2↓ + CaCO3↓ + Na2SO4
:MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2↓ + CaCl2

Phương pháp khử cứng bằng vôi–sođa chia thành ba loại chính: phương pháp lạnh, ấm, và nóng. Với phương pháp vôi–sođa lạnh, những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ thường. Với phương pháp vôi–sođa ấm, nhiệt độ của những phản ứng hóa học khoảng 50–60 °C. Đối với phương pháp vôi–sođa nóng, nhiệt độ nước từ 105 °C đến 115 °C. Khi đó, phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, chất tủa rắn cũng dễ được loại bỏ nhờ quá trình lọc, do vậy phương pháp nóng là loại phổ biến nhất. Ngoài ra, phương pháp vôi–sođa nóng cũng dễ dàng loại bỏ [[silic oxit]] trong nước vì silic oxit sẽ bám vào Mg(OH)2 kết tủa vừa được tạo thành; điều này không thực hiện được đối với phương pháp lạnh và ấm.<ref name="Amjad 2010 p.263">{{harvnb | Amjad | 2010 | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&pg=PA263 263]}}</ref><ref name="Kucera 2015 p. 202">{{chú thích sách | last=Kucera | first=J. | title=Reverse Osmosis: Industrial Processes and Applications | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2015 | isbn=978-1-119-14576-9 | url=https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ&pg=PA202 202]}}</ref>

Phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa có một số nhược điểm nhất định. Do chất tủa có tính tan yếu, nên dung dịch sau khi được làm mềm vẫn chứa một lượng nhỏ độ cứng – khoảng 50–85{{nbsp}}mg/L CaCO3.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318" /> Phương pháp này cũng tạo ra lượng cặn bùn lớn cần có quy trình xử lý chặt chẽ, đồng thời pH cũng cần theo dõi và điều chỉnh liên tục, vì nếu không sẽ gây ra những vấn đề trong hệ thống xử lý.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

=== Thẩm thấu ngược ===
{{Chính|Thẩm thấu ngược}}
[[Tập tin:Reverse osmosis.png|thumb|Nguyên lý hoạt động của quá trình thẩm thấu ngược]]
Hiện tượng [[thẩm thấu]] là quá trình di chuyển của dung dịch qua một lớp màng bán thấm; chiều của dung dịch sẽ đi từ nơi có nồng độ thấp ([[nhược trương]]) đến nơi có nồng độ cao ([[ưu trương]]). Dòng dịch chuyển này sẽ dừng lại khi nồng độ hai bên màng bán thấm cân bằng với nhau hoặc khi [[áp suất thẩm thấu]] ngăn sự di chuyển của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA48 48]}}</ref>

Hiện tượng ''thẩm thấu ngược'' là khi sử dụng một áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất thẩm thấu, làm dung dịch đi xuyên qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp.<ref name="Spellman 2015 p. 290">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Reverse Osmosis: A Guide for the Nonengineering Professional | publisher=CRC Press | year=2015 | isbn=978-1-4987-2753-2 | url=https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ&pg=PA290 290]}}</ref> Do vậy, màng bán thấm chỉ cho phân tử nước đi qua và giữ lại những ion muối. Thiết bị thẩm thấu ngược có thể loại bỏ những thành phần vật chất lớn hơn 0,0005 μm, bao gồm những ion muối khoáng hòa tan như Cl-, SO42-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, cũng như các tạp chất khác như cặn, vi khuẩn, virus, [[flo]], [[amiăng]], các kim loại nặng. Hệ thống thẩm thấu ngược còn được gọi là hệ thống lọc RO (''Reverse Osmosis''), lọc tinh, lọc nano (''ultrafiltration'', ''nanofiltration'').<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48" />

=== Chưng cất ===
{{Chính|Chưng cất}}
Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt năng để đun sôi nước đến điểm sôi, tạo thành hơi nước. Hơi nước sẽ được ngưng tụ và thu hồi lại. Những chất rắn hòa tan và chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước (100 °C ở áp suất khí quyển) sẽ được loại bỏ khỏi nước sau khi chưng cất. Ngoài ra, phương pháp chưng cất có thể loại bỏ vi khuẩn, virus, và các tạp chất ion như [[asen]], [[bari]], [[Cadimi|cadmi]], [[crom]], [[chì]], [[nitrat]], natri, sulfat...<ref name="CDC Home Water Treatment 2020">{{chú thích web | author=Centers for Disease Control and Prevention | title=Technical Information on Home Water Treatment Technologies - Home Water Treatment - Drinking Water - Healthy Water | website=CDC.gov | date=2020-08-04 | url=https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | access-date=2020-09-07 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200715202402/https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Phương pháp chưng cất thường được dùng để khử muối trong nước biển, xử lý nước cấp nồi hơi, cung cấp nước uống tinh khiết.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 49">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA49 49]}}</ref> Tuy nước cất có độ tinh khiết rất cao, nhưng phương pháp này có nhược điểm là chi phí vận hành cao do sử dụng nhiều năng lượng.<ref name="Holman Stone 2001 p. 175">{{chú thích sách | last=Holman | first=J.S. | last2=Stone | first2=P. | title=Chemistry | publisher=Nelson Thornes Limited | series=Nelson Science Series | year=2001 | isbn=978-0-7487-6239-2 | url=https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC | page=[https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC&pg=PA175 175]}}</ref>

==Đo lường==
===Phương pháp đo===
Độ cứng trong nước có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm hóa lý như chuẩn độ hoặc đo bằng thiết bị đo. Phương pháp đo độ cứng của nước phổ biến nhất là phương pháp chuẩn độ dùng axit etylendiamintetraaxetic (EDTA). Phương pháp chuẩn độ EDTA có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm với những thiết bị như buret hoặc với những bộ kit thí nghiệm được chuẩn bị sẵn. Khi chỉ cần đo khoảng giá trị độ cứng của nước mà không cần độ chính xác, có thể dùng giấy thử chỉ thị màu. Độ cứng cũng có thể được đo bằng phương pháp so màu khi dùng dung dịch EDTA và máy quang phổ.<ref name="US EPA">{{chú thích web | author=
United States Environmental Protection Agency | title=Method 130.1: Hardness, Total
(mg/L as CaCO3) (Colorimetric, Automated EDTA) by Spectrophotometer | website=EPA.gov | date=2015 | url=https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-08/documents/method_130-1_1971.pdf | access-date=2020-09-07}}</ref> Ngoài ra, cũng có thể dùng thiết bị có đầu điện cực chọn lọc ion khi mẫu nước chứa nhiều tạp chất và độ đục cao, dẫn đến khó thực hiện đo bằng phương pháp so màu.<ref name="Ansell 2005 pp. 540–545">{{chú thích sách | last=Ansell | first=R.O. | title=Encyclopedia of Analytical Science | chapter=ION-SELECTIVE ELECTRODES – Water Applications | publisher=[[Elsevier]] | year=2005 | isbn=978-0-12-369397-6 | doi=10.1016/b0-12-369397-7/00298-3 | pages=540–545}}</ref>

===Đơn vị===
Độ cứng toàn phần là tổng nồng độ mol của các ion Ca2+ và Mg 2+ được tính theo đơn vị mol/L hoặc mmol/L. Tuy nhiên, độ cứng của nước thường có nhiều đơn vị khác nhau, tùy theo thang đo được sử dụng, như độ cứng tổng quát (dGH), độ cứng Đức (°HD) (không còn được sử dụng nữa), độ cứng Anh (°Clark), độ cứng Pháp (°fH), độ cứng Mỹ (ppm hoặc mg CaCO3/L).<ref name="TCVN 6224 1996" />

:{| class="wikitable"
|+ Bảng quy đổi đơn vị độ cứng của nước
|-
! || 1 mmol/L || 1 ppm, mg/L || 1 °HD || 1 °e, °Clark || 1 °fH
|-
! mmol/L
| 1 || 0,009991 || 0,1783 || 0,1424 || 0,09991
|-
! ppm, mg/L (Độ cứng Mỹ)
| 100,1 || 1 || 17,85 || 14,25 ||10
|-
! °HD (Độ cứng Đức)
| 5,608 || 0,05603 || 1 || 0,7986 || 0,5603
|-
! °e, °Clark (Độ cứng Anh)
| 7,022 || 0,07016 || 1,252 || 1 || 0,7016
|-
! °fH (Độ cứng Pháp)
| 10,01 ||0,1|| 1,785 || 1,425 || 1
|}

===Phân loại===
Độ cứng của nước cứng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hòa tan trong nước, độ pH, nhiệt độ; do vậy, một thang đo rất khó mô tả chính xác độ cứng của nước. Tuy nhiên, [[Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ]] đã đưa ra thang đo so sánh và phân loại độ cứng của nước như sau:<ref name=USGS>{{chú thích web|url=http://water.usgs.gov/owq/hardness-alkalinity.html|title=USGS Water-Quality Information: Water Hardness and Alkalinity|author=USGS - U.S. Geological Survey Office of Water Quality|work=usgs.gov}}</ref>
:{| class="wikitable"
|-
! Phân loại || mg-CaCO3/L || mmol/L || °HD || ppm
|-
|Nước mềm || 0–60 || 0–0,60 || 0–3,37 || 0–60
|-
|Nước tương đối cứng || 61–120 || 0,61–1,20 || 3,38–6,74 || 61–120
|-
|Nước cứng || 121–180 || 1,21–1,80 || 6,75–10,11 || 121–180
|-
|Nước rất cứng || ≥ 181 || ≥ 1,81 || ≥ 10,12 || ≥ 181
|}

[[Nước biển]] có độ cứng toàn phần (chỉ tính dựa trên nồng độ ion Ca2+ và Mg2+) là khoảng 6.558 mg/L theo CaCO3, còn [[nước ngọt]] có độ cứng toàn phần dưới 75 mg/L. Những loài cá nước ngọt được khuyến nghị nên nuôi trong môi trường có độ cứng từ 20 đến 400 mg/L.<ref name="Tucker 1998 p. 71">{{chú thích sách | last=Tucker | first=J.W. | title=Marine Fish Culture | publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer US]] | year=1998 | isbn=978-0-412-07151-5 | url=https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC | page=[https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC&pg=PA71 71]}}</ref> Tại Việt Nam, theo Quy chuẩn Kỹ thuật do Bộ Y tế ban hành, độ cứng tính theo CaCO3 trong nước sinh hoạt có giới hạn tối đa là 350 mg/L được áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước.<ref name="QCVN 02 2009 BYT">{{chú thích sách | author=Cục Y tế dự phòng và Môi trường – Bộ Y tế | title=QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt | publisher= | year=2009 | url=https://www.eurofins.vn/media/311692/qcvn-02-n%C6%B0%E1%BB%9Bc-sinh-ho%E1%BA%A1t.pdf | page=3 }}</ref>

=== Các loại chỉ số ===
====Chỉ số bão hòa Langelier====
Chỉ số bão hòa Langelier (LSI) được xem là chỉ số thường gặp nhất trong các chỉ số bão hòa canxi cacbonat, được dùng để xác định khả năng hình thành cáu cặn của nước.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333">{{chú thích sách|editor1-first=N.E. |editor1-last=McTigue |editor2-first=J.M.|editor2-last= Symons|title=The Water Dictionary: A Comprehensive Reference of Water Terminology|url=https://books.google.ca/books?id=4zZuvPDvUAwC | year=2011| publisher=American Water Works Association| isbn=978-1-61300-101-1|pages=[https://books.google.com/books?id=4zZuvPDvUAwC&pg=PA333 333] | ref=harv}}</ref><ref name="Reid 2003 p.66">{{chú thích sách|last=Reid|first=Robert N. |title=Water Quality Systems: Guide For Facility Managers|url=https://books.google.ca/books?id=dR9iNIqcaa4C | year=2003| publisher=CRC Press| isbn=978-0-8247-4010-8| pages=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 66] | ref=harv}}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1936, bởi Giáo sư [[Đại học California]], W. F. Langelier.<ref>{{cite journal |last= DeMartini |first=F. |year=1938 |month= |title=CORROSION AND THE LANGELIER CALCIUM CARBONATE SATURATION INDEX | journal=Journal (American Water Works Association) |volume=30 |issue=1 |pages=85–111 |jstor=41231947 |url=http://www.jstor.org/stable/41231947 |accessdate=2020-09-22 |quote= }}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier dựa trên ảnh hưởng của [[PH|độ pH]] đối với [[Độ hòa tan|độ tan]] của canxi cacbonat trong nước, theo những phương trình cân bằng sau:<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 91">{{chú thích sách | last=Borch | first=M.A. | last2=Smith | first2=S.A. | last3=Noble | first3=L.N. | title=Evaluation and Restoration of Water Supply Wells | publisher=AWWA Research Foundation and American Water Works Association | series=Subject Area: Water Resources | year=1993 | isbn=978-0-89867-659-4 | url=https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 | page=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 91] | ref=harv}}</ref><ref name="Roberge 1999 p. 106">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | title=Handbook of Corrosion Engineering | publisher=Mcgraw-hill | series=McGraw-Hill handbooks | year=1999 | isbn=978-0-07-076516-0 | url=https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC | page=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA106 106] | ref=harv}}</ref>
:H2CO3 <-> HCO3- + H+
:HCO3- <-> CO32- + H+

Chỉ số bão hòa Langelier được xác định bằng hiệu số giữa độ pH đo được của nước (pHa) và độ pH khi bão hòa CaCO3 (pHs), với điều kiện độ cứng và [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]] không đổi trong hai trường hợp. Công thức xác định chỉ số bão hòa Langelier được biểu diễn như sau:<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" />
:LSI = pHa − pHs

* Nếu LSI > 0, nước có xu hướng hình thành cáu cặn do quá bão hòa CaCO3.
* Nếu LSI < 0, nước có xu hướng hòa tan CaCO3 có trong nước; do vậy, không có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* Nếu LSI = 0, trong nước tồn tại trạng thái cân bằng của CaCO3, tuy nhiên, những yếu tố như tính chất nước, nhiệt độ, sự bay hơi, đều có thể thay đổi trạng thái cân bằng và chỉ số LSI.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" /><ref name="Roberge Revie 2007 p.373">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | last2=Revie | first2=R.W. | title=Corrosion Inspection and Monitoring | publisher=Wiley | series=Wiley Series in Corrosion | year=2007 | isbn=978-0-470-09975-9 | url=https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC | page=[https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC&dq=Langelier+saturation+index+lsi&q=Langelier+saturation+index+lsi#v=snippet&q=Langelier%20saturation%20index%20lsi&f=false 373] | ref=harv}}</ref>

Độ pH bão hòa CaCO3 (pHs) được tính theo công thức sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.373" />
:pHs = (9,3 + A + B) – (C + D)
Trong đó:
:A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}}
:B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55
:C = log10 [Ca2+] − 0,4
:D = log10 [ACaCO3]

:''Ghi chú'':
:: [TDS]: [[Tổng chất rắn hòa tan]] (mg/L)
:: [Ca2+]: Nồng độ Ca2+ tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)
:: [ACaCO3]: [[Độ kiềm của nước|Độ kiềm]] tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)

Giả sử một mẫu nước có kết quả phân tích hóa lý như sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.374">{{harvnb | Roberge | Revie | 2007 | p=374}}</ref>
:: Nhiệt độ = 25 °C
:: pH = 7,5
:: TDS = 320 mg/L
:: Canxi = 150 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3
:: Độ kiềm A = 34 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3

: Công thức tính chỉ số bão hòa LSI:
:: LSI = pHa − pHs
:: pHs = (9,3 + A + B) − (C + D) với:
:: A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}} = 0,15
:: B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55 = 2,09 (ở điều kiện nhiệt độ 25 °C)
:: C = log10[Ca2+] – 0,4 = 1,78
:: D = log10[ACaCO3] = 1,53
:: pHs = (9,3 + 0,15 + 2,09) – (1,78 + 1,53) = 8,23
:: LSI = 7,5 – 8,23 = −0,73
: Chỉ số bão hòa LSI nhỏ hơn 0; do vậy, mẫu nước không có xu hướng tạo thành cáu cặn.

Một số nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra mối liên hệ giữa chỉ số bão hòa Langelier và sự [[Ăn mòn|ăn mòn kim loại]]. Khi chỉ số LSI lớn hơn 0, cáu cặn có thể được hình thành, giúp tạo lớp bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Khi LSI nhỏ hơn 0, lớp cáu cặn không thể hình thành, dẫn đến kim loại có thể bị tấn công bởi tác động ăn mòn của môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ số LSI nhằm dự báo độ ăn mòn vẫn gây tranh cãi.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA94 94]}}</ref> Theo P.R. Roberge (1999), chỉ số LSI không được dùng làm chỉ số xác định khả năng ăn mòn đối với thép hoặc những kim loại khác dùng trong ngành xây dựng. Chỉ số LSI chỉ thể hiện độ ổn định của cáu cặn canxi cacbonat có sẵn trong môi trường nước hoặc những cấu trúc chứa canxi cacbonat khác. Chỉ số LSI và các chỉ số bão hòa khác không đảm bảo tính chất ngăn ngừa ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 107">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA107 107]}}</ref> Theo một số nghiên cứu, chỉ số bão hòa LSI chỉ được dùng để dự đoán khả năng xảy ra hiện tượng ăn mòn trong môi trường nước có khoảng pH từ 6,5 đến 9,5.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94" />

====Chỉ số Ryznar====
Chỉ số ổn định Ryznar (RSI)<ref name="McTigue Symons 2011 p.525">{{harvnb|McTigue|Symons|2011|p=525}}</ref>, hay còn gọi chỉ số bão hòa Ryznar, dựa trên dữ liệu đo lường độ dày lớp cáu cặn trong hệ thống cấp nước đô thị để dự đoán ảnh hưởng tính chất hóa học của nước.<ref name="Reid 2003 p.72">{{harvnb|Reid|2003|p=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 72]}}</ref> Chỉ số RSI được xây dựng dựa trên những quan sát thực nghiệm của tốc độ ăn mòn và sự hình thành lớp màng cáu cặn trong đường ống nước bằng thép. Cũng giống như chỉ số LSI, chỉ số RSI cũng dựa trên lý thuyết tính bão hòa CaCO3; tuy nhiên, khác với LSI, chỉ số RSI chỉ có giá trị dương (lớn hơn 0).<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA95 95]}}</ref>

Chỉ số RSI được tính theo công thức sau:<ref name="RyznarLangelier1944">{{Cite journal | title = A New Index for Determining Amount of Calcium Carbonate Scale Formed by a Water | last2 = Langelier | first2 = W. F.| last1=Ryznar | first1=J.W. | journal = Journal of the American Water Works Association | volume= 36| issue= 4| pages = 472–486 | date=April 1944| jstor=23345279 | doi = 10.1002/j.1551-8833.1944.tb20016.x }}</ref>

: RSI = 2 pHs − pH
: pHs: pH ở điều kiện bão hòa CaCO3
: pH: Giá trị đo của mẫu nước
* Nếu RSI trong khoảng 6,5 < RSI < 7, nước được xem tương đương ở trạng thái [[Cân bằng hóa học|cân bằng]] bão hòa với canxi cacbonat.
* Nếu RSI < 6, nước ở trạng thái quá bão hòa CaCO3, có xu hướng tạo thành cáu cặn. Chỉ số RSI càng thấp, khả năng tạo cáu cặn càng nhiều.<ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348" />
* Nếu RSI > 7, cặn canxi cacbonat không thể hình thành (nước ở trạng thái dưới bão hòa CaCO3). Nếu RSI > 8, có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 108">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA108 108]}}</ref> Nếu RSI > 9, có thể gây hư hỏng những cấu kiện thiết bị bằng sắt hoặc thép, như bơm, trong khoảng thời gian ngắn.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95" /><ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348">{{cite journal | last=Alsaqqar | first=Awatif S. | last2=Khudair | first2=Basim H. | last3=Ali | first3=Sura Kareem | title=Evaluating Water Stability Indices from Water Treatment Plants in Baghdad City | journal=Journal of Water Resource and Protection | publisher=Scientific Research Publishing, Inc, | volume=06 | issue=14 | year=2014 | issn=1945-3094 | doi=10.4236/jwarp.2014.614124 | page=1348}}</ref>

====Chỉ số Puckorius====
Chỉ số tạo cáu cặn Puckorius (PSI) được sử dụng nhằm định lượng mối liên hệ giữa trạng thái bão hòa và khả năng hình thành cáu cặn bằng cách ước lượng khả năng tạo [[dung dịch đệm]] (''buffering'') của nước. Nước có nồng độ canxi cao nhưng có tính kiềm và khả năng đệm thấp có thể dẫn đến việc độ bão hòa canxi cacbonat cao. Nồng độ canxi cao sẽ dẫn đến [[Phép nhân|tích số]] giữa [[ion]] và [[hoạt độ]] cao. Đồ thị của tích số ion–hoạt độ và lượng tủa rắn trong nước cho thấp nếu canxi bị kết tủa, sẽ làm độ pH tăng mạnh do tính đệm của dung dịch thấp.<ref name="Roberge 1999 p. 108" />

Chỉ số PSI được tính theo công thức gần giống với chỉ số RSI. Tuy nhiên, chỉ số Puckorius sử dụng ''pH cân bằng'' thay vì ''pH thực'' (pH đo lường) nhằm xét đến sự ảnh hưởng của tính đệm trong dung dịch:<ref name="Roberge 1999 p. 109">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA109 109]}}</ref>
: PSI = 2 pHcb − pHs
Với pHcb = 1,465 × log10[A] + 4,54.

Độ kiềm: [A] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-].
* PSI < 5,5: Nước có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* 5,5 < PSI < 6,5: Khoảng giá trị PSI tối ưu. Dung dịch ở trạng thái cân bằng.
* PSI > 6,5: Nước có xu hướng ăn mòn.<ref name="García-Ávila et al 2018 pp. 111–123">{{cite journal | last=García-Ávila | first=F.| last2=Ramos- Fernández | first2=L.| last3=Pauta | first3=D.| last4=Quezada | first4=D.| title=Evaluation of water quality and stability in the drinking water distribution network in the Azogues city, Ecuador | url=http://dspace.ucuenca.edu.ec/retrieve/91216/documento.pdf | journal=Data in Brief | publisher=Elsevier BV | volume=18 | year=2018 | issn=2352-3409 | doi=10.1016/j.dib.2018.03.007 | pages=111–123}}</ref>

====Các loại chỉ số khác====
Ngoài 3 chỉ số được nêu trên, một số loại chỉ số bão hòa khác được sử dụng như Chỉ số Larson–Skold,<ref name="Roberge 1999 p. 109" /><ref>{{cite journal |last1=Larson |first1=T.E. |last2=Skold |first2=R.V. |date=1958 |title=Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron | url=https://core.ac.uk/download/pdf/158322616.pdf |journal= |volume= |issue= |pages= |doi=10.5006/0010-9312-14.6.43 |access-date=}}</ref> Chỉ số Stiff–Davis,<ref>Stiff, Jr., H.A., Davis, L.E. (1952). A Method For Predicting The Tendency of Oil Field Water to Deposit Calcium Carbonate, Pet. Trans. AIME 195;213.</ref> và Chỉ số Oddo–Tomson.<ref>Oddo J.E. and Tomson M.B. (1992). Scale Control, Prediction and Treatment or How Companies Evaluate
a Scaling Problem and What They Do Wrong. [Corrosion 92, paper 34]. Houston, TX,
NACE International.</ref><ref name="Roberge 1999 p. 110">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA110 110]}}</ref>

==Tham khảo==
{{tham khảo|30em}}

[[Thể loại:Nước]]
[[Thể loại:Chất lỏng]]
[[Thể loại:Dạng nước]]
[[Thể loại:Đá vôi]]

Nước cứng

2021-03-03T01:30:34Z

Ltn: /* Đo lường */

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Hard Water Calcification.jpg|nhỏ|Vòi nước bị đóng cặn vôi gây ra do nước cứng]]
'''Nước cứng''' là loại [[nước]] chứa hàm lượng [[Khoáng vật|chất khoáng]] cao, chủ yếu là hai ion canxi (Ca2+) và magie (Mg2+).<ref name="Cotruvo 2018 p. 131">{{chú thích sách | last=Cotruvo | first=J. | title=Drinking Water Quality and Contaminants Guidebook | publisher=CRC Press | year=2018 | isbn=978-1-351-11045-7 | url=https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131] | ref=harv}}</ref> Nước cứng được hình thành khi nước ngầm thấm qua những lớp [[đá vôi]], [[đá phấn]], hoặc [[thạch cao]]<ref>{{chú thích web|url=http://wellowner.org/water-quality/ground-water-quality-basics/|title=Hard water|publisher=National Groundwater Association|access-date=28 June 2019}}</ref> mà những loại đá này vốn chứa lượng lớn ion [[canxi]] và [[magie]] ở dạng hợp chất cacbonat, hidro cacbonat, sulfat. Trong nước cứng cũng có thể chứa các ion [[sắt]]; khi bị oxi hóa, những ion này sẽ xuất hiện dưới dạng vết ố nâu đỏ trên bề mặt [[Men gốm|vật liệu tráng men]] hoặc vải sợi.<ref name="Hard water Encyclopedia Britannica">{{chú thích web | title=Hard water - Definition, Examples, & Facts | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/science/hard-water | access-date=2020-09-05 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200623050508/https://www.britannica.com/science/hard-water | archivedate=2020-06-23 |url-status=dead }}</ref> Ngoài ra, những ion kim loại khác như [[stronti]], [[nhôm]], [[bari]], [[mangan]], [[kẽm]] cũng có thể gây ra hiện tượng nước cứng, nhưng vì hàm lượng trong nước của những ion này thường rất thấp nên xem như không đáng kể.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 314">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Treatment | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-230-1 | url=https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA314 314] | ref=harv}}</ref>

Nước cứng là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp; do vậy, độ cứng của nước công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh những tổn hại cho các thiết bị sử dụng nước như [[Lò hơi công nghiệp|lò hơi]], [[tháp giải nhiệt]]. Trong hoạt động thường ngày, nước cứng thường được nhận biết thông qua hiện tượng [[Xà phòng|xà bông]] khi pha trong nước sẽ không tạo bọt hoặc sự hình thành cặn vôi trong bình nấu nước sôi.<ref name="WHO 2003 1">{{chú thích web | author=World Health Organization | title=Hardness in Drinking-water, Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality (GDWQ) | website=WHO.int | url=http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/hardness.pdf | year=2003 | ref=harv}}</ref> Khi nước cứng trở thành vấn đề nghiêm trọng, người ta cần sử dụng hệ thống làm mềm nước (khử cứng) để giảm tác hại gây ra bởi nước cứng.

== Nguyên nhân ==
[[Tập tin:Dolomite.jpg|nhỏ|Một mẫu đá khoáng [[dolomit]] (CaCO3*MgCO3)]]
Độ cứng của nước được xác định bằng nồng độ những [[Ion|cation]] [[đa hóa trị]] tồn tại trong nước. Cation đa hóa trị là những hợp chất phức kim loại có điện tích lớn hơn 1+ (nghĩa là có [[Hóa trị|hóa trị II]] trở lên). Những cation thường gặp trong nước cứng là ion Ca2+ và Mg2+. Khi nước thẩm thấu qua các lớp đá khoáng trong [[tầng ngậm nước]], những ion này sẽ hòa tan vào nước.<ref name="Water – Ullmann" /> Loại đá khoáng chứa ion canxi và magie chủ yếu là [[dolomit]] (CaMg(CO3)2).<ref name="Nichols 2013 p. 29">{{chú thích sách | last=Nichols | first=G. | title=Sedimentology and Stratigraphy | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2013 | isbn=978-1-118-68777-2 | url=https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC | page=[https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC&pg=PA29 29]}}</ref> [[Mưa|Nước mưa]] và [[nước cất]] được xem là "nước mềm" vì chứa rất ít ion kim loại.<ref name="Water – Ullmann">{{chú thích sách | last=| first=| title=Water – Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry | publisher=[[John Wiley & Sons|Wiley-VCH]] | publication-place=Weinheim, Germany | date=2000-06-15 | isbn=3-527-30673-0 | doi=10.1002/14356007.a28_001 | page=}}</ref>

Nước mưa, vốn chứa ít ion kim loại, khi rơi xuống đất sẽ trở thành [[nước mặt]], kéo theo các tạp chất như bụi bẩn, chất rắn hòa tan, huyền phù, đồng thời khí [[Cacbon điôxít|cacbon dioxit]] (CO2) có trong không khí. Khí CO2 trong các quá trình sinh học, như [[Phân hủy sinh học|phân hủy sinh vật]], sẽ tiếp tục được hấp thu vào nước mặt và các tầng nước ngầm. Cacbon dioxit khi hòa tan trong nước sẽ tạo dung dịch [[axit cacbonic]] (H2CO3). Axit cacbonic sẽ hòa tan những loại đá khoáng như dolomit (chứa [[canxi cacbonat]] và [[magie cacbonat]]) hoặc [[đá vôi]] (chứa canxi cacbonat) theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.35-36">{{chú thích sách | last=McEachern | first=R. | last2=Wist | first2=W. | last3=Lehr | first3=J.H. | title=Water Softening with Potassium Chloride: Process, Health, and Environmental Benefits | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2009 | isbn=978-0-470-52904-1 | url=https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC | page=35-36 | ref=harv}}</ref>

:H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO−3
:H2CO3 + MgCO3 → Mg2+ + 2HCO−3

Các quá trình hấp thụ CO2 vào nước và phản ứng hòa tan các đá khoáng cacbonat sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được dung dịch loãng chứa muối [[Bicacbonat|hidro cacbonat]] (bicacbonat) của canxi và magie. Quá trình [[cân bằng hóa học]] được thể hiện bằng phương trình tổng quát như sau (với canxi cacbonat đại diện cho độ cứng của nước):

:CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca2+ + 2HCO3-
[[Tập tin:Vodní kámen.jpg|nhỏ|Tinh thể canxi cacbonat trong cặn vôi dưới kính hiển vi]]
Phản ứng trên có tính thuận nghịch. Nước mưa chứa CO2 sẽ phản ứng với canxi cacbonat và hòa tan ion canxi vào nước, đồng thời tạo ion hidro cacbonat. Ngược lại, khi cacbon dioxit bị bay hơi khỏi dung dịch (ví dụ, do nhiệt độ tăng lên), cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về bên trái theo [[nguyên lý Le Chatelier]], tạo thành [[kết tủa]] canxi cacbonat dạng rắn, dưới dạng đá [[canxit]], [[thạch nhũ]], hoặc [[măng đá]].

=== Độ cứng tạm thời ===
{{chính|Độ cứng cacbonat}}

Độ cứng tạm thời, hay còn gọi là "độ cứng cacbonat", là độ cứng tương đương với hàm lượng cacbonat và hidro cacbonat trong nước của ion canxi và magie.<ref name="TCVN 6224 1996">{{chú thích sách | author=Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường | title=Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6224:1996 (ISO 6059: 1984 (E)) – Chất lượng nước - Xác định tổng số canxi và magie - Phương pháp chuẩn độ EDTA – Phụ lục A | publisher= | year=1996 | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-6224-1996-chat-luong-nuoc-xac-dinh-tong-so-canxi-va-magie | page=10 | ref=harv}}</ref><ref name="DeZuane 1997 p. 32">{{chú thích sách | last=DeZuane | first=J. | title=Handbook of Drinking Water Quality | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=1997 | isbn=978-0-471-28789-6 | url=https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA32 32] | ref=harv}}</ref> Nước cứng tạm thời chứa hai cation canxi và magie (Ca2+, Mg2+) cùng hai anion cacbonat và hidro cacbonat (CO32−, HCO3−). Hàm lượng cation Ca2+, Mg2+ liên quan đến độ cứng của nước. Tuy nhiên, khác với độ cứng vĩnh cửu, độ cứng tạm thời có thể được xử lý bằng phương pháp dùng nhiệt độ. Khi đun sôi nước, ion hidro cacbonat sẽ tạo thành cacbonat, phương trình cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, tạo thành canxi cacbonat kết tủa khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt trở thành "nước mềm". Phản ứng hóa học được biểu diễn như sau:<ref name="DeZuane 1997 p. 32" />
:Ca(HCO3)2 + ΔH -> CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Với ΔH là nhiệt được cung cấp.

=== Độ cứng vĩnh cửu ===
Độ cứng vĩnh cửu, hay còn gọi là độ cứng phi cacbonat, gây ra do sự có mặt của các muối clorua và sulfat như CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4. Những muối này không kết tủa khi đun sôi nước do các ion clorua và sulfat không bị phân hủy do nhiệt như ion hidro cacbonat trong nước cứng tạm thời. Do vậy, loại độ cứng này không thể xử lý được bằng phương pháp nhiệt.<ref name="Sengupta 2013 1">{{cite journal |last1= Sengupta |first1=P. |date=2013 |title=Potential health impacts of hard water |url= |journal=International journal of preventive medicine |volume=4 |issue=8 |pages=866-875 |doi= |pmc=3775162 |pmid= 24049611 | ref=harv}}</ref> Khi một mẫu dung dịch nước được đun sôi, các ion hidro cacbonat (HCO3-) sẽ phân hủy thành CO32- và khí CO2; các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ kết hợp với CO32- tạo kết tủa. Phản ứng này sẽ dừng lại khi toàn bộ lượng ion cacbonat đã được kết tủa hết. Lượng ion Ca2+ và Mg2+ còn lại trong dung dịch chính là độ cứng vĩnh cửu.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.41 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=41-42 }}</ref> Độ cứng vĩnh cửu có thể được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, khi sử dụng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2), [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3), hoặc [[natri aluminat]] (Na2Al2O4).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 7">{{chú thích web | title=Precipitation Softening | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906003055/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | archivedate=2020-09-06 |url-status=dead }}</ref>

=== Độ cứng toàn phần ===
Độ cứng toàn phần, hay còn gọi là "độ cứng tổng", bằng tổng hàm lượng toàn bộ các ion canxi và magie có trong dung dịch, được thể hiện dưới hàm lượng tương đương của CaCO3.<ref name="TCVN 6224 1996" /><ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=42 }}</ref> Nói cách khác, độ cứng toàn phần bằng giá trị độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu cộng lại. Độ cứng tạm thời được tính dựa trên hàm lượng ion hidro cacbonat, còn độ cứng toàn phần được tính dựa trên hàm lượng ion canxi và magie. Nếu độ cứng tạm thời lớn hơn hoặc bằng độ cứng toàn phần, có thể suy ra giá trị độ cứng vĩnh cửu bằng 0 và độ cứng tạm thời chính là giá trị độ cứng của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42" />

== Ảnh hưởng ==
===Trong sinh hoạt===
[[Tập tin:Waterboiler-internal.jpg|nhỏ|Cặn vôi bên trong bình nấu nước gây ra do nước cứng|thế=|240x240px]]
Nước cứng làm giảm khả năng tạo bọt của [[xà phòng]], đồng thời làm giảm tác dụng tẩy rửa do tạo muối canxi không tan. Công thức hóa học của xà bông có chứa những hợp chất muối [[natri]] của những axit hữu cơ mạch dài, như [[natri oleat]] hoặc [[natri stearat]]. Khi sử dụng trong nước mềm, muối natri stearat hòa tan dễ dàng, ion stearat (C17H35COO−) thể hiện hoạt tính tẩy rửa của xà phòng. Tuy nhiên, khi sử dụng trong nước cứng, ion stearat sẽ phản ứng kết hợp với ion canxi hoặc magie tạo thành hợp chất tủa không tan, [[canxi stearat]], thường được gọi là "váng bọt xà phòng" (''soap scum''). Những váng bọt này khi bám trên quần áo sẽ khó tẩy sạch, đồng thời làm giảm độ bền quần áo và vải sợi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 37">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=37 }}</ref>
:C17H35COO–Na → C17H35COO− + Na+
:2 C17H35COO− + Ca2+ → (C17H35COO)2Ca↓
Đối với các đồ dùng trong nhà bếp để đun nấu như [[Ấm nước|bình nấu nước]] hoặc [[bình nóng lạnh]], CaCO3 tạo ra khi đun sôi nước, gây cáu cặn, làm giảm khả năng [[Dẫn nhiệt|dẫn]] và [[Trao đổi nhiệt|truyền nhiệt]], tiêu hao điện năng, gây lãng phí, đồng thời nhanh làm hỏng sản phẩm.<ref name="Taggart 2014 p. 40">{{chú thích sách | last=Taggart | first=C. | title=Her Ladyship's Guide to Running One's Home | publisher=Pavilion Books | year=2014 | isbn=978-1-909881-13-6 | url=https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 | page=[https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 40]}}</ref> Dùng nước cứng để nấu ăn sẽ làm đậu, thịt khó chín, làm mất vị và màu sắc thực phẩm.<ref name="Boston College Newspapers 1890">{{chú thích web | title=The Sacred Heart Review, Volume 4, Number 19 - 4 October 1890 | website=Boston College Newspapers | date=1890-10-04 | url=https://newspapers.bc.edu/?a=d&d=BOSTONSH18901004-01.2.38 | access-date=2020-09-06}} Trích: "''Peas and beans cooked in hard water, containing lime or gypsum, will not boil tender, because these substances harden vegetable caseine. Many vegetables, as onions, boil nearly tasteless in soft water, because all the flavor is boiled out.''"</ref><ref name="Chiang 2016">{{chú thích web | last=Chiang | first=Jack C. | title=Effects of Water Hardness on Processed Quality of Carrots, Sweet Cherries, and Apricots – Master's Degree Thesis |series= All Graduate Theses and Dissertations |
website=Utah State University | date=1970 | url=https://digitalcommons.usu.edu/etd/5115 | access-date=2020-09-06 | page=[https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=6150&context=etd 29-30]}}</ref>

===Trong công nghiệp===
[[Tập tin:Limescale-in-pipe.jpg|nhỏ|Cặn vôi bám bên trong một đường ống, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt]]
Các thành phần canxi cacbonat và magie cacbonat trong nước cứng dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị nhiệt, gây tắc nghẽn, làm giảm hệ số lưu lượng trên đường ống, gây hư hỏng dẫn đến chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao.<ref name="Newcombe Dixon 2006 p. 257">{{chú thích sách | last=Newcombe | first=G. | last2=Dixon | first2=D. | title=Interface Science in Drinking Water Treatment: Theory and Applications | publisher=[[Elsevier]] | series=ISSN | year=2006 | isbn=978-0-08-053051-2 | url=https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC | page=[https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC&pg=PA257 257]}}</ref><ref name="American Water Works Association 2003 p. 125">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Quality | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-232-5 | url=https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 | page=[https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 125]}}</ref>

Nước cứng không được phép dùng trong [[Lò hơi công nghiệp|nồi hơi]] vì khi đun sôi nước cứng thì [[canxi cacbonat]] (CaCO3) và [[magie cacbonat]] (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi tạo thành một lớp cáu cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, đồng thời gây hiện tượng quá nhiệt cho kim loại, dẫn đến hư hỏng thiết bị, đường ống kim loại.<ref name="Amjad 2010 p.310">{{chú thích sách | last=Amjad | first=Z. | title=The Science and Technology of Industrial Water Treatment | publisher=CRC Press | year=2010 | isbn=978-1-4200-7145-0 | url=https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=carbonate+scale+in+boiler&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiqhofc_9TrAhWrITQIHQmoCqU4ChDoATACegQIAhAC#v=onepage&q=15.3%20scale%20and%20deposit%20control&f=false 310] | ref=harv}}</ref><ref name="Durand 2015 p. 318">{{chú thích sách | last=Durand | first=W.F. | title=Practical Marine Engineering | publisher=Europäischer Hochschulverlag | year=2015 | isbn=978-3-95427-437-6 | url=https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ&pg=PA318 318]}}</ref> Chỉ cần một lớp mỏng canxi cacbonat với độ dày 0,8{{nbsp}}mm (khoảng 1/32{{nbsp}}in) bên trong bề mặt nồi hơi sẽ làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn 5%–8% so với nồi hơi có bề mặt không bị bám cáu cặn.<ref name="Amjad 2010 p.310" />

===Đối với sức khỏe===
Vào thập niên 1970, người ta phát hiện tỉ lệ mắc [[bệnh tim mạch]] của người dân ở những vùng sử dụng nước mềm cao hơn so với tỉ lệ của những người ở khu vực sử dụng nước cứng. Nhiều nghiên cứu được thực hiện ở Hoa Kỳ, Canada, và Châu Âu, để tìm ra mối liên quan hệ giữa ảnh hưởng của nước cứng trong sinh hoạt đối với những bệnh tim mạch. Tuy những nghiên cứu này chỉ mới ở giai đoạn sơ bộ và chưa hoàn thiện, người ta đưa ra giả thiết rằng những nguyên tố như canxi, magie, [[mangan]], trong nước cứng có tác dụng ngăn ngừa nguyên nhân gây bệnh tim mạch.<ref name="DeZuane 1997 p. 34">{{harvnb | DeZuane | 1997 | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA34 34]}}</ref>

Nhiều nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng nước cứng không những không có hại cho sức khỏe con người mà ngược lại, còn có một số lợi ích nhờ vào các nguyên tố canxi và magie có trong nước cứng. Nước cứng được xem là nguồn cung cấp hai nguyên tố này cho cơ thể con người.<ref name="Sengupta 2013 5">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Hard water has no known adverse health effect, WHO says at its Geneva Conference. In addition, hard water, particularly very hard water, could provide an important supplementary contribution to total calcium and magnesium intake. The health effects of hard water are mainly due to the effects of the salts dissolved in it, primarily calcium and magnesium.''"</ref> Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), canxi và magie là những nguyên tố thiết yếu và có lợi ích đối với con người. Việc thiếu hụt những nguyên tố này trong khẩu phần dinh dưỡng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe.<ref name="WHO 2003 p.2">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=2}}</ref> Ví dụ, việc thiếu hụt hấp thu canxi sẽ dễ dẫn đến các bệnh như [[ung thư dạ dày]]<ref name="Sengupta 2013 2">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Some studies suggest there was a significant protective effect of calcium intake from drinking water on the risk of gastric cancer.''"</ref>, [[loãng xương]], [[sỏi thận]], [[Ung thư đại trực tràng|ung thư đại tràng]], [[cao huyết áp]], [[Tai biến mạch máu não|đột quỵ]], [[bệnh động mạch vành]]...<ref name="WHO 2003 p.3">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=3}}</ref> Nguyên tố magie là loại cation nhiều thứ tư trong cơ thể con người và nhiều thứ hai trong các [[Nội bào|dịch nội bào]].<ref name="WHO 2003 p.4">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=4}}</ref> Nguyên tố magie được cho là yếu tố có lợi chính trong nước cứng.<ref name="Cotruvo 2018">{{harvnb|Cotruvo | 2018 | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131]}} Trích: "(...) ''If there is a benefit, it is associated specifically with the magnesium content the hardness per se.''"</ref> Việc thiếu hụt magie sẽ dễ dẫn đến các bệnh như cao huyết áp, bệnh động mạch vành, giảm hấp thụ [[insulin]]<ref name="WHO 2003 p.4" />, [[tiểu đường]], [[ung thư thực quản]], [[ung thư buồng trứng]]<ref name="Sengupta 2013 3">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''One of the strongest epidemiological evidences of significant protective effect of magnesium intake from the drinking water was that gave for the risk for esophageal cancer and ovarian cancer.''" "''Hypomagnesaemia is a common feature in subjects with type-2 diabetes'' (...) ''Recent evidence suggests that sub-clinical magnesium deficiency may precipitate a diabetic state.''"</ref>. Một số nghiên cứu khuyến cáo nồng độ tối ưu trong nước uống của nguyên tố canxi là 40–80 [[Phần triệu|ppm]] và magie là 20–30 ppm; còn độ cứng toàn phần trong nước tối ưu là 2–4 mmol/L (tương đương 200–400{{nbsp}}ppm).<ref name="Koz">František Kožíšek [http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf Health significance of drinking water calcium and magnesium] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130418115258/http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf |date=2013-04-18 }}, 2003</ref>

==Phương pháp làm mềm nước==
Có nhiều phương pháp làm mềm nước cứng (khử cứng); một số phương pháp phổ biến trong công nghiệp và dân dụng là:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA43 43] }}</ref>
*Trao đổi ion (''Ion exchange'')
*Khử muối khoáng (''Demineralization'')
*Kết tủa (''Precipitation'')
*Thẩm thấu ngược (''Reverse osmosis'')
*Chưng cất (''Distillation'')
Bốn phương pháp — khử khoáng, thẩm thấu ngược, chưng cất, kết tủa — làm giảm độ cứng của nước bằng cách loại bỏ chất khoáng rắn khỏi nước. Lượng [[tổng chất rắn hòa tan]] (TDS) trong nước được giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp trao đổi ion giảm độ cứng bằng cách loại bỏ các ion gây độ cứng là canxi–magie và thay thế bằng các ion đơn hóa trị như natri, kali. Trong phương pháp trao đổi ion, lượng tổng chất rắn hòa tan của dung dịch không thay đổi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43" />

===Trao đổi ion===
{{Chính|Trao đổi ion}}
Trong phương pháp làm mềm nước cứng bằng công nghệ [[trao đổi ion]], nước cần xử lý được đi qua một thiết bị chứa những hạt nhựa trao đổi ion. Những hạt nhựa này được làm từ một loại [[polyme]] có chứa những nhóm chức mang điện tích âm. Những nhóm chức liên kết yếu với những ion trái dấu (mang điện tích dương) để đảm bảo trung hòa điện tích. Khi tiếp xúc với dung dịch, những ion trái dấu này (cation) dễ dàng tách ra khỏi polyme, di chuyển vào dung dịch, đồng thời ''trao đổi'' với những cation khác có sẵn trong dung dịch và liên kết với các nhóm thế của polyme. Trong các thiết bị làm mềm nước dân dụng, polyme trong hạt nhựa trao đổi ion có chứa nhóm chức \sSO3-. Cation trong polyme là natri (Na+) sẽ ''trao đổi'' với cation canxi (Ca2+) trong nước cứng theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44" />

:2 R\sSO3-\sNa+ + Ca2+ <-> (R\sSO3-)2Ca + 2 Na+
Với R là công thức rút gọn của mạch polyme.

Nước cứng sau khi đi qua lớp hạt trao đổi ion sẽ giảm nồng độ Ca2+ và Mg2+, đồng thời chứa ion Na+ trong dung dịch. Khi những hạt nhựa trở nên bão hòa canxi và magie, tức không thể trao đổi thêm ion, nước cứng đi qua thiết bị trao đổi ion sẽ không thể được làm mềm nữa. Lúc này, thiết bị trao đổi ion cần được hoàn nguyên bằng cách bơm dung dịch muối [[natri clorua]] (NaCl) nồng độ 10% vào thiết bị.<ref name="Betz 1980 p.52">{{chú thích sách |author=Betz Laboratories Inc. | title=Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition | publisher=Betz | year=1980 | url=https://books.google.ca/books?id=5RpSAAAAMAAJ | archiveurl=https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/mode/1up | archivedate=2012-06-20 | page=[https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/page/52/mode/1up 52] | ref=harv}}</ref> Nồng độ natri cao trong dung dịch hoàn nguyên sẽ để dịch chuyển phản ứng trao đổi ion về bên trái, hạt nhựa sẽ mất cation Ca2+ và liên kết lại với cation Na+.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA44 44] }}</ref>

[[Tập tin:Ion exchange resin beads.jpg|thumb|Hạt nhựa trao đổi ion [[zeolit]]]]
Có 4 loại hạt nhựa trao đổi ion cơ bản là cation axit mạnh (SAC), cation axit yếu (WAC), anion bazo mạnh (SBA), và anion bazo yếu (WBA).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8">{{chú thích web | title=Chapter 08- Ion Exchange, Water Demineralization & Resin Testing | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906213729/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Trong đó, phương pháp [[natri]] [[zeolit]], sử dụng loại hạt nhựa cation axit mạnh (SAC), là phương pháp làm mềm nước trao đổi ion phổ biến nhất.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /> Zeolit được chia thành ba loại sản phẩm chính: zeolite đá xanh (''greensand'' – dùng cho nước có độ cứng tương đối thấp), zeolite cacbon (dùng cho độ cứng trung bình), và zeolite nhựa [[styren]] (dùng cho độ cứng cao).<ref name="Applebaum 2013 p. 43">{{chú thích sách | last=Applebaum | first=S.B. | title=Demineralization by Ion Exchange: In Water Treatment and Chemical Processing of Other Liquids | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-1-4832-5842-3 | url=https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ&pg=PA43 43]}}</ref> Phản ứng hóa học của cột trao đổi ion zeolit như sau:

:|Na2Z + Ca2+ <-> CaZ + 2 Na+
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Ưu điểm của phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion là thiết bị vận hành đơn giản, hiệu quả, chi phí đầu tư quy trình vận hành tự động hoặc bán tự động thấp. Ngoài ra, nước muối NaCl dùng để hoàn nguyên cũng rẻ tiền và an toàn khi sử dụng. Hệ thống trao đổi ion có thể hoạt động hiệu quả ở nhiều loại kích cỡ thiết bị từ nhỏ đến lớn, nên hệ thống này phù hợp cho nhiều ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ xử lý được độ cứng nhưng không xử lý được chất rắn hòa tan, [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]], và silica (SiO2) trong nước. Thiết bị làm mềm nước natri zeolit không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống làm mềm nước vôi–sođa (phương pháp kết tủa). Ngoài ra, phương pháp trao đổi ion không hiệu quả với loại nước có [[độ đục]] cao. Nếu nước đầu vào có độ đục cao, cần sử dụng hệ thống tách–lọc trước khi đưa vào thiết bị làm mềm nước. Hạt nhựa trao đổi ion cũng dễ bị ảnh hưởng bởi [[kim loại nặng]] và những [[chất oxy hóa]] mạnh như [[clo]]. Những chất này cần được xử lý bằng [[natri sunfit]] hoặc đi qua bộ lọc [[than hoạt tính]] trước khi làm mềm bằng cột trao đổi ion.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

===Khử muối khoáng===
Trong một số quy trình và thiết bị đặc biệt như nồi hơi áp suất cao hoặc sản xuất thiết bị điện tử, việc làm mềm nước cứng không chỉ loại bỏ các ion độ cứng (Ca2+, Mg2+), mà còn yêu cầu phải loại bỏ toàn bộ chất rắn hòa tan từ các ion khác như Na+, SiO2, Cl-, SO42-, NO3-. Do vậy, cần dùng đến phương pháp khử muối khoáng.

Phương pháp khử muối khoáng, hay còn gọi là phương pháp khử ion (''deionization''), về bản chất là một phương pháp trao đổi ion nhằm loại bỏ toàn bộ muối vô cơ khỏi dung dịch nước. Trong phương pháp này, hai thiết bị trao đổi ion được đặt và hoạt động nối tiếp nhau. Thiết bị đầu tiên được gọi là cột trao đổi cation. Trong thiết bị này, các ion canxi, magie, natri... sẽ được trao đổi với ion hidro (H+). Dung dịch trước lọc khi đi qua cột trao đổi cation sẽ được chuyển hóa thành axit dưới dạng axit sunfuric, axit hidroclorua, cacbon dioxit. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:CaSO4 + H2Z -> CaZ + H2SO4
:Ca(HCO3)2 + H2Z -> CaZ + 2 H2O + 2 CO2
:2 NaCl + H2Z -> Na2Z + HCl
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Dung dịch sau lọc là dung dịch có tính axit, được di chuyển tiếp qua thiết bị thứ hai, được gọi là cột trao đổi anion. Tại đây, các anion gốc axit như SO42-, Cl-, NO3- sẽ được trao đổi với ion hydroxit (OH-). Dung dịch sau lọc của cột trao đổi anion sẽ là dung dịch nước không chứa ion. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:H2SO4 + Z(OH)2 -> ZSO4 + 2 H2O
:2 HCl + Z(OH)2 -> ZCl2 + 2 H2O

Khi vật liệu trao đổi ion trong các thiết bị khử muối khoáng đã bão hòa và giảm hẳn hiệu quả, chúng có thể được hoàn nguyên tương tự như cột trao đổi ion natri zeolit, chỉ khác là thay vì sử dụng nước muối thì người ta dùng dung dịch axit và bazo loãng làm dung dịch hoàn nguyên. Đối với cột trao đổi cation, hạt nhựa zeolit được bơm dung dịch H2SO4 hoặc HCl loãng (nồng độ ban đầu là 2%, tăng dần đến khoảng 6%–8%). Cột trao đổi anion được hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH loãng (nồng độ khoảng 4%).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

Ưu điểm của phương pháp khử muối khoáng là dung dịch sau khi lọc sẽ hoàn toàn loại bỏ các ion, nên được gọi là "nước khử ion" (''deionized water'').<ref name="Dyer 2013">{{chú thích sách | last=Dyer | first=A. | title=Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering | chapter=Ion Exchange | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-0-12-409547-2 | doi=10.1016/b978-0-12-409547-2.04402-4 | page=}}</ref> Tuy nhiên, do sử dụng các dung dịch axit và bazo như H2SO4, HCl, NaOH, KOH để hoàn nguyên, dễ gây nguy hiểm cho người vận hành. Ngoài ra, hạt zeolit sử dụng trong thiết bị rất đắt tiền khi cần thay thế. Do vậy, phương pháp này thường chỉ áp dụng cho những hệ thống công nghiệp lớn.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 47">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA47 47]}}</ref>

=== Kết tủa ===
{{Chính|Làm mềm nước bằng vôi–sođa}}
Phương pháp kết tủa, hay còn gọi là "phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa", là một trong hai phương pháp làm mềm nước phổ biến nhất.<ref name="Spellman 2008 p. 437">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations, Second Edition | publisher=Taylor & Francis | year=2008 | isbn=978-1-4200-7530-4 | url=https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC | page=[https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC&pg=PA437 437]}}</ref> Phương pháp này loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở [[tính tan]] thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 bằng cách dùng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2) và [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3). Sau đó, các hợp chất kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 vừa tạo kết tụ tạo thành bông cặn, sau đó được tách ra khỏi nước bằng các biện pháp kết bông, lắng, lọc.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA318 318]}}</ref>

Trong phương pháp làm mềm nước kết tủa, [[PH|độ pH]] cần được điều chỉnh để dung dịch có tính [[Bazơ|kiềm]] để hỗ trợ phản ứng tạo kết tủa (tối thiểu pH 9,4 đối với Ca2+ và pH 10,6 đối với Mg2+). Do vậy, vôi tôi (Ca(OH)2) được sử dụng để tăng pH cho dung dịch.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

Đối với độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời), Ca(OH)2 được cho vào nước. Ca(OH)2 phản ứng với các ion độ cứng theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ HCO3- thành CO32- và tạo thành hợp chất CaCO3 ít tan. Các phản ứng xảy ra trong quá trình làm mềm nước cứng bao gồm:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />
:H2O + CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + 2 H2O
:Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + 2 H2O
:Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2 H2O

Đối với độ cứng phi cacbonat (độ cứng vĩnh cửu), sođa và vôi cùng được thêm vào nước để tạo kết tủa theo các phản ứng sau:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /><ref name="American Water Works Association 2003 p. 322">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA322 322]}}</ref>
:CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + Na2SO4
:CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + 2 NaCl
:MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 -> Mg(OH)2↓ + CaCO3↓ + Na2SO4
:MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2↓ + CaCl2

Phương pháp khử cứng bằng vôi–sođa chia thành ba loại chính: phương pháp lạnh, ấm, và nóng. Với phương pháp vôi–sođa lạnh, những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ thường. Với phương pháp vôi–sođa ấm, nhiệt độ của những phản ứng hóa học khoảng 50–60 °C. Đối với phương pháp vôi–sođa nóng, nhiệt độ nước từ 105 °C đến 115 °C. Khi đó, phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, chất tủa rắn cũng dễ được loại bỏ nhờ quá trình lọc, do vậy phương pháp nóng là loại phổ biến nhất. Ngoài ra, phương pháp vôi–sođa nóng cũng dễ dàng loại bỏ [[silic oxit]] trong nước vì silic oxit sẽ bám vào Mg(OH)2 kết tủa vừa được tạo thành; điều này không thực hiện được đối với phương pháp lạnh và ấm.<ref name="Amjad 2010 p.263">{{harvnb | Amjad | 2010 | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&pg=PA263 263]}}</ref><ref name="Kucera 2015 p. 202">{{chú thích sách | last=Kucera | first=J. | title=Reverse Osmosis: Industrial Processes and Applications | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2015 | isbn=978-1-119-14576-9 | url=https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ&pg=PA202 202]}}</ref>

Phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa có một số nhược điểm nhất định. Do chất tủa có tính tan yếu, nên dung dịch sau khi được làm mềm vẫn chứa một lượng nhỏ độ cứng – khoảng 50–85{{nbsp}}mg/L CaCO3.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318" /> Phương pháp này cũng tạo ra lượng cặn bùn lớn cần có quy trình xử lý chặt chẽ, đồng thời pH cũng cần theo dõi và điều chỉnh liên tục, vì nếu không sẽ gây ra những vấn đề trong hệ thống xử lý.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

=== Thẩm thấu ngược ===
{{Chính|Thẩm thấu ngược}}
[[Tập tin:Reverse osmosis.png|thumb|Nguyên lý hoạt động của quá trình thẩm thấu ngược]]
Hiện tượng [[thẩm thấu]] là quá trình di chuyển của dung dịch qua một lớp màng bán thấm; chiều của dung dịch sẽ đi từ nơi có nồng độ thấp ([[nhược trương]]) đến nơi có nồng độ cao ([[ưu trương]]). Dòng dịch chuyển này sẽ dừng lại khi nồng độ hai bên màng bán thấm cân bằng với nhau hoặc khi [[áp suất thẩm thấu]] ngăn sự di chuyển của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA48 48]}}</ref>

Hiện tượng ''thẩm thấu ngược'' là khi sử dụng một áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất thẩm thấu, làm dung dịch đi xuyên qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp.<ref name="Spellman 2015 p. 290">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Reverse Osmosis: A Guide for the Nonengineering Professional | publisher=CRC Press | year=2015 | isbn=978-1-4987-2753-2 | url=https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ&pg=PA290 290]}}</ref> Do vậy, màng bán thấm chỉ cho phân tử nước đi qua và giữ lại những ion muối. Thiết bị thẩm thấu ngược có thể loại bỏ những thành phần vật chất lớn hơn 0,0005{{nbsp}}μm, bao gồm những ion muối khoáng hòa tan như Cl-, SO42-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, cũng như các tạp chất khác như cặn, vi khuẩn, virus, [[flo]], [[amiăng]], các kim loại nặng. Hệ thống thẩm thấu ngược còn được gọi là hệ thống lọc RO (''Reverse Osmosis''), lọc tinh, lọc nano (''ultrafiltration'', ''nanofiltration'').<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48" />

=== Chưng cất ===
{{Chính|Chưng cất}}
Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt năng để đun sôi nước đến điểm sôi, tạo thành hơi nước. Hơi nước sẽ được ngưng tụ và thu hồi lại. Những chất rắn hòa tan và chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước (100{{nbsp}}°C ở áp suất khí quyển) sẽ được loại bỏ khỏi nước sau khi chưng cất. Ngoài ra, phương pháp chưng cất có thể loại bỏ vi khuẩn, virus, và các tạp chất ion như [[asen]], [[bari]], [[Cadimi|cadmi]], [[crom]], [[chì]], [[nitrat]], natri, sulfat...<ref name="CDC Home Water Treatment 2020">{{chú thích web | author=Centers for Disease Control and Prevention | title=Technical Information on Home Water Treatment Technologies - Home Water Treatment - Drinking Water - Healthy Water | website=CDC.gov | date=2020-08-04 | url=https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | access-date=2020-09-07 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200715202402/https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Phương pháp chưng cất thường được dùng để khử muối trong nước biển, xử lý nước cấp nồi hơi, cung cấp nước uống tinh khiết.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 49">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA49 49]}}</ref> Tuy nước cất có độ tinh khiết rất cao, nhưng phương pháp này có nhược điểm là chi phí vận hành cao do sử dụng nhiều năng lượng.<ref name="Holman Stone 2001 p. 175">{{chú thích sách | last=Holman | first=J.S. | last2=Stone | first2=P. | title=Chemistry | publisher=Nelson Thornes Limited | series=Nelson Science Series | year=2001 | isbn=978-0-7487-6239-2 | url=https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC | page=[https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC&pg=PA175 175]}}</ref>

==Đo lường==
===Phương pháp đo===
Độ cứng trong nước có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm hóa lý như chuẩn độ hoặc đo bằng thiết bị đo. Phương pháp đo độ cứng của nước phổ biến nhất là phương pháp chuẩn độ dùng axit etylendiamintetraaxetic (EDTA). Phương pháp chuẩn độ EDTA có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm với những thiết bị như buret hoặc với những bộ kit thí nghiệm được chuẩn bị sẵn. Khi chỉ cần đo khoảng giá trị độ cứng của nước mà không cần độ chính xác, có thể dùng giấy thử chỉ thị màu. Độ cứng cũng có thể được đo bằng phương pháp so màu khi dùng dung dịch EDTA và máy quang phổ.<ref name="US EPA">{{chú thích web | author=
United States Environmental Protection Agency | title=Method 130.1: Hardness, Total
(mg/L as CaCO3) (Colorimetric, Automated EDTA) by Spectrophotometer | website=EPA.gov | date=2015 | url=https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-08/documents/method_130-1_1971.pdf | access-date=2020-09-07}}</ref> Ngoài ra, cũng có thể dùng thiết bị có đầu điện cực chọn lọc ion khi mẫu nước chứa nhiều tạp chất và độ đục cao, dẫn đến khó thực hiện đo bằng phương pháp so màu.<ref name="Ansell 2005 pp. 540–545">{{chú thích sách | last=Ansell | first=R.O. | title=Encyclopedia of Analytical Science | chapter=ION-SELECTIVE ELECTRODES – Water Applications | publisher=[[Elsevier]] | year=2005 | isbn=978-0-12-369397-6 | doi=10.1016/b0-12-369397-7/00298-3 | pages=540–545}}</ref>

===Đơn vị===
Độ cứng toàn phần là tổng nồng độ mol của các ion Ca2+ và Mg 2+ được tính theo đơn vị mol/L hoặc mmol/L. Tuy nhiên, độ cứng của nước thường có nhiều đơn vị khác nhau, tùy theo thang đo được sử dụng, như độ cứng tổng quát (dGH), độ cứng Đức (°HD) (không còn được sử dụng nữa), độ cứng Anh (°Clark), độ cứng Pháp (°fH), độ cứng Mỹ (ppm hoặc mg{{nbsp}}CaCO3/L).<ref name="TCVN 6224 1996" />

:{| class="wikitable"
|+ Bảng quy đổi đơn vị độ cứng của nước
|-
! || 1 mmol/L || 1 ppm, mg/L || 1 °HD || 1 °e, °Clark || 1 °fH
|-
! mmol/L
| 1 || 0,009991 || 0,1783 || 0,1424 || 0,09991
|-
! ppm, mg/L (Độ cứng Mỹ)
| 100,1 || 1 || 17,85 || 14,25 ||10
|-
! °HD (Độ cứng Đức)
| 5,608 || 0,05603 || 1 || 0,7986 || 0,5603
|-
! °e, °Clark (Độ cứng Anh)
| 7,022 || 0,07016 || 1,252 || 1 || 0,7016
|-
! °fH (Độ cứng Pháp)
| 10,01 ||0,1|| 1,785 || 1,425 || 1
|}

===Phân loại===
Độ cứng của nước cứng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hòa tan trong nước, độ pH, nhiệt độ; do vậy, một thang đo rất khó mô tả chính xác độ cứng của nước. Tuy nhiên, [[Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ]] đã đưa ra thang đo so sánh và phân loại độ cứng của nước như sau:<ref name=USGS>{{chú thích web|url=http://water.usgs.gov/owq/hardness-alkalinity.html|title=USGS Water-Quality Information: Water Hardness and Alkalinity|author=USGS - U.S. Geological Survey Office of Water Quality|work=usgs.gov}}</ref>
:{| class="wikitable"
|-
! Phân loại || mg-CaCO3/L || mmol/L || °HD || ppm
|-
|Nước mềm || 0–60 || 0–0,60 || 0–3,37 || 0–60
|-
|Nước tương đối cứng || 61–120 || 0,61–1,20 || 3,38–6,74 || 61–120
|-
|Nước cứng || 121–180 || 1,21–1,80 || 6,75–10,11 || 121–180
|-
|Nước rất cứng || ≥ 181 || ≥ 1,81 || ≥ 10,12 || ≥ 181
|}

[[Nước biển]] có độ cứng toàn phần (chỉ tính dựa trên nồng độ ion Ca2+ và Mg2+) là khoảng 6.558{{nbsp}}mg/L theo CaCO3, còn [[nước ngọt]] có độ cứng toàn phần dưới 75{{nbsp}}mg/L. Những loài cá nước ngọt được khuyến nghị nên nuôi trong môi trường có độ cứng từ 20 đến 400{{nbsp}}mg/L.<ref name="Tucker 1998 p. 71">{{chú thích sách | last=Tucker | first=J.W. | title=Marine Fish Culture | publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer US]] | year=1998 | isbn=978-0-412-07151-5 | url=https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC | page=[https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC&pg=PA71 71]}}</ref> Tại Việt Nam, theo Quy chuẩn Kỹ thuật do Bộ Y tế ban hành, độ cứng tính theo CaCO3 trong nước sinh hoạt có giới hạn tối đa là 350{{nbsp}}mg/L được áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước.<ref name="QCVN 02 2009 BYT">{{chú thích sách | author=Cục Y tế dự phòng và Môi trường – Bộ Y tế | title=QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt | publisher= | year=2009 | url=https://www.eurofins.vn/media/311692/qcvn-02-n%C6%B0%E1%BB%9Bc-sinh-ho%E1%BA%A1t.pdf | page=3 }}</ref>

=== Các loại chỉ số ===
====Chỉ số bão hòa Langelier====
Chỉ số bão hòa Langelier (LSI) được xem là chỉ số thường gặp nhất trong các chỉ số bão hòa canxi cacbonat, được dùng để xác định khả năng hình thành cáu cặn của nước.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333">{{chú thích sách|editor1-first=N.E. |editor1-last=McTigue |editor2-first=J.M.|editor2-last= Symons|title=The Water Dictionary: A Comprehensive Reference of Water Terminology|url=https://books.google.ca/books?id=4zZuvPDvUAwC | year=2011| publisher=American Water Works Association| isbn=978-1-61300-101-1|pages=[https://books.google.com/books?id=4zZuvPDvUAwC&pg=PA333 333] | ref=harv}}</ref><ref name="Reid 2003 p.66">{{chú thích sách|last=Reid|first=Robert N. |title=Water Quality Systems: Guide For Facility Managers|url=https://books.google.ca/books?id=dR9iNIqcaa4C | year=2003| publisher=CRC Press| isbn=978-0-8247-4010-8| pages=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 66] | ref=harv}}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1936, bởi Giáo sư [[Đại học California]], W. F. Langelier.<ref>{{cite journal |last= DeMartini |first=F. |year=1938 |month= |title=CORROSION AND THE LANGELIER CALCIUM CARBONATE SATURATION INDEX | journal=Journal (American Water Works Association) |volume=30 |issue=1 |pages=85–111 |jstor=41231947 |url=http://www.jstor.org/stable/41231947 |accessdate=2020-09-22 |quote= }}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier dựa trên ảnh hưởng của [[PH|độ pH]] đối với [[Độ hòa tan|độ tan]] của canxi cacbonat trong nước, theo những phương trình cân bằng sau:<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 91">{{chú thích sách | last=Borch | first=M.A. | last2=Smith | first2=S.A. | last3=Noble | first3=L.N. | title=Evaluation and Restoration of Water Supply Wells | publisher=AWWA Research Foundation and American Water Works Association | series=Subject Area: Water Resources | year=1993 | isbn=978-0-89867-659-4 | url=https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 | page=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 91] | ref=harv}}</ref><ref name="Roberge 1999 p. 106">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | title=Handbook of Corrosion Engineering | publisher=Mcgraw-hill | series=McGraw-Hill handbooks | year=1999 | isbn=978-0-07-076516-0 | url=https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC | page=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA106 106] | ref=harv}}</ref>
:H2CO3 <-> HCO3- + H+
:HCO3- <-> CO32- + H+

Chỉ số bão hòa Langelier được xác định bằng hiệu số giữa độ pH đo được của nước (pHa) và độ pH khi bão hòa CaCO3 (pHs), với điều kiện độ cứng và [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]] không đổi trong hai trường hợp. Công thức xác định chỉ số bão hòa Langelier được biểu diễn như sau:<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" />
:LSI = pHa − pHs

* Nếu LSI > 0, nước có xu hướng hình thành cáu cặn do quá bão hòa CaCO3.
* Nếu LSI < 0, nước có xu hướng hòa tan CaCO3 có trong nước; do vậy, không có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* Nếu LSI = 0, trong nước tồn tại trạng thái cân bằng của CaCO3, tuy nhiên, những yếu tố như tính chất nước, nhiệt độ, sự bay hơi, đều có thể thay đổi trạng thái cân bằng và chỉ số LSI.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" /><ref name="Roberge Revie 2007 p.373">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | last2=Revie | first2=R.W. | title=Corrosion Inspection and Monitoring | publisher=Wiley | series=Wiley Series in Corrosion | year=2007 | isbn=978-0-470-09975-9 | url=https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC | page=[https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC&dq=Langelier+saturation+index+lsi&q=Langelier+saturation+index+lsi#v=snippet&q=Langelier%20saturation%20index%20lsi&f=false 373] | ref=harv}}</ref>

Độ pH bão hòa CaCO3 (pHs) được tính theo công thức sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.373" />
:pHs = (9,3 + A + B) – (C + D)
Trong đó:
:A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}}
:B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55
:C = log10 [Ca2+] − 0,4
:D = log10 [ACaCO3]

:''Ghi chú'':
:: [TDS]: [[Tổng chất rắn hòa tan]] (mg/L)
:: [Ca2+]: Nồng độ Ca2+ tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)
:: [ACaCO3]: [[Độ kiềm của nước|Độ kiềm]] tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)

Giả sử một mẫu nước có kết quả phân tích hóa lý như sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.374">{{harvnb | Roberge | Revie | 2007 | p=374}}</ref>
:: Nhiệt độ = 25 °C
:: pH = 7,5
:: TDS = 320 mg/L
:: Canxi = 150 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3
:: Độ kiềm A = 34 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3

: Công thức tính chỉ số bão hòa LSI:
:: LSI = pHa − pHs
:: pHs = (9,3 + A + B) − (C + D) với:
:: A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}} = 0,15
:: B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55 = 2,09 (ở điều kiện nhiệt độ 25 °C)
:: C = log10[Ca2+] – 0,4 = 1,78
:: D = log10[ACaCO3] = 1,53
:: pHs = (9,3 + 0,15 + 2,09) – (1,78 + 1,53) = 8,23
:: LSI = 7,5 – 8,23 = −0,73
: Chỉ số bão hòa LSI nhỏ hơn 0; do vậy, mẫu nước không có xu hướng tạo thành cáu cặn.

Một số nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra mối liên hệ giữa chỉ số bão hòa Langelier và sự [[Ăn mòn|ăn mòn kim loại]]. Khi chỉ số LSI lớn hơn 0, cáu cặn có thể được hình thành, giúp tạo lớp bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Khi LSI nhỏ hơn 0, lớp cáu cặn không thể hình thành, dẫn đến kim loại có thể bị tấn công bởi tác động ăn mòn của môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ số LSI nhằm dự báo độ ăn mòn vẫn gây tranh cãi.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA94 94]}}</ref> Theo P.R. Roberge (1999), chỉ số LSI không được dùng làm chỉ số xác định khả năng ăn mòn đối với thép hoặc những kim loại khác dùng trong ngành xây dựng. Chỉ số LSI chỉ thể hiện độ ổn định của cáu cặn canxi cacbonat có sẵn trong môi trường nước hoặc những cấu trúc chứa canxi cacbonat khác. Chỉ số LSI và các chỉ số bão hòa khác không đảm bảo tính chất ngăn ngừa ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 107">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA107 107]}}</ref> Theo một số nghiên cứu, chỉ số bão hòa LSI chỉ được dùng để dự đoán khả năng xảy ra hiện tượng ăn mòn trong môi trường nước có khoảng pH từ 6,5 đến 9,5.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94" />

====Chỉ số Ryznar====
Chỉ số ổn định Ryznar (RSI)<ref name="McTigue Symons 2011 p.525">{{harvnb|McTigue|Symons|2011|p=525}}</ref>, hay còn gọi chỉ số bão hòa Ryznar, dựa trên dữ liệu đo lường độ dày lớp cáu cặn trong hệ thống cấp nước đô thị để dự đoán ảnh hưởng tính chất hóa học của nước.<ref name="Reid 2003 p.72">{{harvnb|Reid|2003|p=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 72]}}</ref> Chỉ số RSI được xây dựng dựa trên những quan sát thực nghiệm của tốc độ ăn mòn và sự hình thành lớp màng cáu cặn trong đường ống nước bằng thép. Cũng giống như chỉ số LSI, chỉ số RSI cũng dựa trên lý thuyết tính bão hòa CaCO3; tuy nhiên, khác với LSI, chỉ số RSI chỉ có giá trị dương (lớn hơn 0).<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA95 95]}}</ref>

Chỉ số RSI được tính theo công thức sau:<ref name="RyznarLangelier1944">{{Cite journal | title = A New Index for Determining Amount of Calcium Carbonate Scale Formed by a Water | last2 = Langelier | first2 = W. F.| last1=Ryznar | first1=J.W. | journal = Journal of the American Water Works Association | volume= 36| issue= 4| pages = 472–486 | date=April 1944| jstor=23345279 | doi = 10.1002/j.1551-8833.1944.tb20016.x }}</ref>

: RSI = 2 pHs − pH
: pHs: pH ở điều kiện bão hòa CaCO3
: pH: Giá trị đo của mẫu nước
* Nếu RSI trong khoảng 6,5 < RSI < 7, nước được xem tương đương ở trạng thái [[Cân bằng hóa học|cân bằng]] bão hòa với canxi cacbonat.
* Nếu RSI < 6, nước ở trạng thái quá bão hòa CaCO3, có xu hướng tạo thành cáu cặn. Chỉ số RSI càng thấp, khả năng tạo cáu cặn càng nhiều.<ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348" />
* Nếu RSI > 7, cặn canxi cacbonat không thể hình thành (nước ở trạng thái dưới bão hòa CaCO3). Nếu RSI > 8, có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 108">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA108 108]}}</ref> Nếu RSI > 9, có thể gây hư hỏng những cấu kiện thiết bị bằng sắt hoặc thép, như bơm, trong khoảng thời gian ngắn.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95" /><ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348">{{cite journal | last=Alsaqqar | first=Awatif S. | last2=Khudair | first2=Basim H. | last3=Ali | first3=Sura Kareem | title=Evaluating Water Stability Indices from Water Treatment Plants in Baghdad City | journal=Journal of Water Resource and Protection | publisher=Scientific Research Publishing, Inc, | volume=06 | issue=14 | year=2014 | issn=1945-3094 | doi=10.4236/jwarp.2014.614124 | page=1348}}</ref>

====Chỉ số Puckorius====
Chỉ số tạo cáu cặn Puckorius (PSI) được sử dụng nhằm định lượng mối liên hệ giữa trạng thái bão hòa và khả năng hình thành cáu cặn bằng cách ước lượng khả năng tạo [[dung dịch đệm]] (''buffering'') của nước. Nước có nồng độ canxi cao nhưng có tính kiềm và khả năng đệm thấp có thể dẫn đến việc độ bão hòa canxi cacbonat cao. Nồng độ canxi cao sẽ dẫn đến [[Phép nhân|tích số]] giữa [[ion]] và [[hoạt độ]] cao. Đồ thị của tích số ion–hoạt độ và lượng tủa rắn trong nước cho thấp nếu canxi bị kết tủa, sẽ làm độ pH tăng mạnh do tính đệm của dung dịch thấp.<ref name="Roberge 1999 p. 108" />

Chỉ số PSI được tính theo công thức gần giống với chỉ số RSI. Tuy nhiên, chỉ số Puckorius sử dụng ''pH cân bằng'' thay vì ''pH thực'' (pH đo lường) nhằm xét đến sự ảnh hưởng của tính đệm trong dung dịch:<ref name="Roberge 1999 p. 109">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA109 109]}}</ref>
: PSI = 2 pHcb − pHs
Với pHcb = 1,465 × log10[A] + 4,54.

Độ kiềm: [A] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-].
* PSI < 5,5: Nước có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* 5,5 < PSI < 6,5: Khoảng giá trị PSI tối ưu. Dung dịch ở trạng thái cân bằng.
* PSI > 6,5: Nước có xu hướng ăn mòn.<ref name="García-Ávila et al 2018 pp. 111–123">{{cite journal | last=García-Ávila | first=F.| last2=Ramos- Fernández | first2=L.| last3=Pauta | first3=D.| last4=Quezada | first4=D.| title=Evaluation of water quality and stability in the drinking water distribution network in the Azogues city, Ecuador | url=http://dspace.ucuenca.edu.ec/retrieve/91216/documento.pdf | journal=Data in Brief | publisher=Elsevier BV | volume=18 | year=2018 | issn=2352-3409 | doi=10.1016/j.dib.2018.03.007 | pages=111–123}}</ref>

====Các loại chỉ số khác====
Ngoài 3 chỉ số được nêu trên, một số loại chỉ số bão hòa khác được sử dụng như Chỉ số Larson–Skold,<ref name="Roberge 1999 p. 109" /><ref>{{cite journal |last1=Larson |first1=T.E. |last2=Skold |first2=R.V. |date=1958 |title=Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron | url=https://core.ac.uk/download/pdf/158322616.pdf |journal= |volume= |issue= |pages= |doi=10.5006/0010-9312-14.6.43 |access-date=}}</ref> Chỉ số Stiff–Davis,<ref>Stiff, Jr., H.A., Davis, L.E. (1952). A Method For Predicting The Tendency of Oil Field Water to Deposit Calcium Carbonate, Pet. Trans. AIME 195;213.</ref> và Chỉ số Oddo–Tomson.<ref>Oddo J.E. and Tomson M.B. (1992). Scale Control, Prediction and Treatment or How Companies Evaluate
a Scaling Problem and What They Do Wrong. [Corrosion 92, paper 34]. Houston, TX,
NACE International.</ref><ref name="Roberge 1999 p. 110">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA110 110]}}</ref>

==Tham khảo==
{{tham khảo|30em}}

[[Thể loại:Nước]]
[[Thể loại:Chất lỏng]]
[[Thể loại:Dạng nước]]
[[Thể loại:Đá vôi]]

Nước cứng

2021-03-03T01:29:02Z

Ltn: /* Phương pháp làm mềm nước */ Sửa lỗi bản mẫu Chem2

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Hard Water Calcification.jpg|nhỏ|Vòi nước bị đóng cặn vôi gây ra do nước cứng]]
'''Nước cứng''' là loại [[nước]] chứa hàm lượng [[Khoáng vật|chất khoáng]] cao, chủ yếu là hai ion canxi (Ca2+) và magie (Mg2+).<ref name="Cotruvo 2018 p. 131">{{chú thích sách | last=Cotruvo | first=J. | title=Drinking Water Quality and Contaminants Guidebook | publisher=CRC Press | year=2018 | isbn=978-1-351-11045-7 | url=https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131] | ref=harv}}</ref> Nước cứng được hình thành khi nước ngầm thấm qua những lớp [[đá vôi]], [[đá phấn]], hoặc [[thạch cao]]<ref>{{chú thích web|url=http://wellowner.org/water-quality/ground-water-quality-basics/|title=Hard water|publisher=National Groundwater Association|access-date=28 June 2019}}</ref> mà những loại đá này vốn chứa lượng lớn ion [[canxi]] và [[magie]] ở dạng hợp chất cacbonat, hidro cacbonat, sulfat. Trong nước cứng cũng có thể chứa các ion [[sắt]]; khi bị oxi hóa, những ion này sẽ xuất hiện dưới dạng vết ố nâu đỏ trên bề mặt [[Men gốm|vật liệu tráng men]] hoặc vải sợi.<ref name="Hard water Encyclopedia Britannica">{{chú thích web | title=Hard water - Definition, Examples, & Facts | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/science/hard-water | access-date=2020-09-05 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200623050508/https://www.britannica.com/science/hard-water | archivedate=2020-06-23 |url-status=dead }}</ref> Ngoài ra, những ion kim loại khác như [[stronti]], [[nhôm]], [[bari]], [[mangan]], [[kẽm]] cũng có thể gây ra hiện tượng nước cứng, nhưng vì hàm lượng trong nước của những ion này thường rất thấp nên xem như không đáng kể.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 314">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Treatment | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-230-1 | url=https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA314 314] | ref=harv}}</ref>

Nước cứng là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp; do vậy, độ cứng của nước công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh những tổn hại cho các thiết bị sử dụng nước như [[Lò hơi công nghiệp|lò hơi]], [[tháp giải nhiệt]]. Trong hoạt động thường ngày, nước cứng thường được nhận biết thông qua hiện tượng [[Xà phòng|xà bông]] khi pha trong nước sẽ không tạo bọt hoặc sự hình thành cặn vôi trong bình nấu nước sôi.<ref name="WHO 2003 1">{{chú thích web | author=World Health Organization | title=Hardness in Drinking-water, Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality (GDWQ) | website=WHO.int | url=http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/hardness.pdf | year=2003 | ref=harv}}</ref> Khi nước cứng trở thành vấn đề nghiêm trọng, người ta cần sử dụng hệ thống làm mềm nước (khử cứng) để giảm tác hại gây ra bởi nước cứng.

== Nguyên nhân ==
[[Tập tin:Dolomite.jpg|nhỏ|Một mẫu đá khoáng [[dolomit]] (CaCO3*MgCO3)]]
Độ cứng của nước được xác định bằng nồng độ những [[Ion|cation]] [[đa hóa trị]] tồn tại trong nước. Cation đa hóa trị là những hợp chất phức kim loại có điện tích lớn hơn 1+ (nghĩa là có [[Hóa trị|hóa trị II]] trở lên). Những cation thường gặp trong nước cứng là ion Ca2+ và Mg2+. Khi nước thẩm thấu qua các lớp đá khoáng trong [[tầng ngậm nước]], những ion này sẽ hòa tan vào nước.<ref name="Water – Ullmann" /> Loại đá khoáng chứa ion canxi và magie chủ yếu là [[dolomit]] (CaMg(CO3)2).<ref name="Nichols 2013 p. 29">{{chú thích sách | last=Nichols | first=G. | title=Sedimentology and Stratigraphy | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2013 | isbn=978-1-118-68777-2 | url=https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC | page=[https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC&pg=PA29 29]}}</ref> [[Mưa|Nước mưa]] và [[nước cất]] được xem là "nước mềm" vì chứa rất ít ion kim loại.<ref name="Water – Ullmann">{{chú thích sách | last=| first=| title=Water – Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry | publisher=[[John Wiley & Sons|Wiley-VCH]] | publication-place=Weinheim, Germany | date=2000-06-15 | isbn=3-527-30673-0 | doi=10.1002/14356007.a28_001 | page=}}</ref>

Nước mưa, vốn chứa ít ion kim loại, khi rơi xuống đất sẽ trở thành [[nước mặt]], kéo theo các tạp chất như bụi bẩn, chất rắn hòa tan, huyền phù, đồng thời khí [[Cacbon điôxít|cacbon dioxit]] (CO2) có trong không khí. Khí CO2 trong các quá trình sinh học, như [[Phân hủy sinh học|phân hủy sinh vật]], sẽ tiếp tục được hấp thu vào nước mặt và các tầng nước ngầm. Cacbon dioxit khi hòa tan trong nước sẽ tạo dung dịch [[axit cacbonic]] (H2CO3). Axit cacbonic sẽ hòa tan những loại đá khoáng như dolomit (chứa [[canxi cacbonat]] và [[magie cacbonat]]) hoặc [[đá vôi]] (chứa canxi cacbonat) theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.35-36">{{chú thích sách | last=McEachern | first=R. | last2=Wist | first2=W. | last3=Lehr | first3=J.H. | title=Water Softening with Potassium Chloride: Process, Health, and Environmental Benefits | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2009 | isbn=978-0-470-52904-1 | url=https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC | page=35-36 | ref=harv}}</ref>

:H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO−3
:H2CO3 + MgCO3 → Mg2+ + 2HCO−3

Các quá trình hấp thụ CO2 vào nước và phản ứng hòa tan các đá khoáng cacbonat sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được dung dịch loãng chứa muối [[Bicacbonat|hidro cacbonat]] (bicacbonat) của canxi và magie. Quá trình [[cân bằng hóa học]] được thể hiện bằng phương trình tổng quát như sau (với canxi cacbonat đại diện cho độ cứng của nước):

:CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca2+ + 2HCO3-
[[Tập tin:Vodní kámen.jpg|nhỏ|Tinh thể canxi cacbonat trong cặn vôi dưới kính hiển vi]]
Phản ứng trên có tính thuận nghịch. Nước mưa chứa CO2 sẽ phản ứng với canxi cacbonat và hòa tan ion canxi vào nước, đồng thời tạo ion hidro cacbonat. Ngược lại, khi cacbon dioxit bị bay hơi khỏi dung dịch (ví dụ, do nhiệt độ tăng lên), cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về bên trái theo [[nguyên lý Le Chatelier]], tạo thành [[kết tủa]] canxi cacbonat dạng rắn, dưới dạng đá [[canxit]], [[thạch nhũ]], hoặc [[măng đá]].

=== Độ cứng tạm thời ===
{{chính|Độ cứng cacbonat}}

Độ cứng tạm thời, hay còn gọi là "độ cứng cacbonat", là độ cứng tương đương với hàm lượng cacbonat và hidro cacbonat trong nước của ion canxi và magie.<ref name="TCVN 6224 1996">{{chú thích sách | author=Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường | title=Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6224:1996 (ISO 6059: 1984 (E)) – Chất lượng nước - Xác định tổng số canxi và magie - Phương pháp chuẩn độ EDTA – Phụ lục A | publisher= | year=1996 | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-6224-1996-chat-luong-nuoc-xac-dinh-tong-so-canxi-va-magie | page=10 | ref=harv}}</ref><ref name="DeZuane 1997 p. 32">{{chú thích sách | last=DeZuane | first=J. | title=Handbook of Drinking Water Quality | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=1997 | isbn=978-0-471-28789-6 | url=https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA32 32] | ref=harv}}</ref> Nước cứng tạm thời chứa hai cation canxi và magie (Ca2+, Mg2+) cùng hai anion cacbonat và hidro cacbonat (CO32−, HCO3−). Hàm lượng cation Ca2+, Mg2+ liên quan đến độ cứng của nước. Tuy nhiên, khác với độ cứng vĩnh cửu, độ cứng tạm thời có thể được xử lý bằng phương pháp dùng nhiệt độ. Khi đun sôi nước, ion hidro cacbonat sẽ tạo thành cacbonat, phương trình cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, tạo thành canxi cacbonat kết tủa khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt trở thành "nước mềm". Phản ứng hóa học được biểu diễn như sau:<ref name="DeZuane 1997 p. 32" />
:Ca(HCO3)2 + ΔH -> CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Với ΔH là nhiệt được cung cấp.

=== Độ cứng vĩnh cửu ===
Độ cứng vĩnh cửu, hay còn gọi là độ cứng phi cacbonat, gây ra do sự có mặt của các muối clorua và sulfat như CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4. Những muối này không kết tủa khi đun sôi nước do các ion clorua và sulfat không bị phân hủy do nhiệt như ion hidro cacbonat trong nước cứng tạm thời. Do vậy, loại độ cứng này không thể xử lý được bằng phương pháp nhiệt.<ref name="Sengupta 2013 1">{{cite journal |last1= Sengupta |first1=P. |date=2013 |title=Potential health impacts of hard water |url= |journal=International journal of preventive medicine |volume=4 |issue=8 |pages=866-875 |doi= |pmc=3775162 |pmid= 24049611 | ref=harv}}</ref> Khi một mẫu dung dịch nước được đun sôi, các ion hidro cacbonat (HCO3-) sẽ phân hủy thành CO32- và khí CO2; các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ kết hợp với CO32- tạo kết tủa. Phản ứng này sẽ dừng lại khi toàn bộ lượng ion cacbonat đã được kết tủa hết. Lượng ion Ca2+ và Mg2+ còn lại trong dung dịch chính là độ cứng vĩnh cửu.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.41 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=41-42 }}</ref> Độ cứng vĩnh cửu có thể được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, khi sử dụng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2), [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3), hoặc [[natri aluminat]] (Na2Al2O4).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 7">{{chú thích web | title=Precipitation Softening | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906003055/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | archivedate=2020-09-06 |url-status=dead }}</ref>

=== Độ cứng toàn phần ===
Độ cứng toàn phần, hay còn gọi là "độ cứng tổng", bằng tổng hàm lượng toàn bộ các ion canxi và magie có trong dung dịch, được thể hiện dưới hàm lượng tương đương của CaCO3.<ref name="TCVN 6224 1996" /><ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=42 }}</ref> Nói cách khác, độ cứng toàn phần bằng giá trị độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu cộng lại. Độ cứng tạm thời được tính dựa trên hàm lượng ion hidro cacbonat, còn độ cứng toàn phần được tính dựa trên hàm lượng ion canxi và magie. Nếu độ cứng tạm thời lớn hơn hoặc bằng độ cứng toàn phần, có thể suy ra giá trị độ cứng vĩnh cửu bằng 0 và độ cứng tạm thời chính là giá trị độ cứng của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42" />

== Ảnh hưởng ==
===Trong sinh hoạt===
[[Tập tin:Waterboiler-internal.jpg|nhỏ|Cặn vôi bên trong bình nấu nước gây ra do nước cứng|thế=|240x240px]]
Nước cứng làm giảm khả năng tạo bọt của [[xà phòng]], đồng thời làm giảm tác dụng tẩy rửa do tạo muối canxi không tan. Công thức hóa học của xà bông có chứa những hợp chất muối [[natri]] của những axit hữu cơ mạch dài, như [[natri oleat]] hoặc [[natri stearat]]. Khi sử dụng trong nước mềm, muối natri stearat hòa tan dễ dàng, ion stearat (C17H35COO−) thể hiện hoạt tính tẩy rửa của xà phòng. Tuy nhiên, khi sử dụng trong nước cứng, ion stearat sẽ phản ứng kết hợp với ion canxi hoặc magie tạo thành hợp chất tủa không tan, [[canxi stearat]], thường được gọi là "váng bọt xà phòng" (''soap scum''). Những váng bọt này khi bám trên quần áo sẽ khó tẩy sạch, đồng thời làm giảm độ bền quần áo và vải sợi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 37">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=37 }}</ref>
:C17H35COO–Na → C17H35COO− + Na+
:2 C17H35COO− + Ca2+ → (C17H35COO)2Ca↓
Đối với các đồ dùng trong nhà bếp để đun nấu như [[Ấm nước|bình nấu nước]] hoặc [[bình nóng lạnh]], CaCO3 tạo ra khi đun sôi nước, gây cáu cặn, làm giảm khả năng [[Dẫn nhiệt|dẫn]] và [[Trao đổi nhiệt|truyền nhiệt]], tiêu hao điện năng, gây lãng phí, đồng thời nhanh làm hỏng sản phẩm.<ref name="Taggart 2014 p. 40">{{chú thích sách | last=Taggart | first=C. | title=Her Ladyship's Guide to Running One's Home | publisher=Pavilion Books | year=2014 | isbn=978-1-909881-13-6 | url=https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 | page=[https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 40]}}</ref> Dùng nước cứng để nấu ăn sẽ làm đậu, thịt khó chín, làm mất vị và màu sắc thực phẩm.<ref name="Boston College Newspapers 1890">{{chú thích web | title=The Sacred Heart Review, Volume 4, Number 19 - 4 October 1890 | website=Boston College Newspapers | date=1890-10-04 | url=https://newspapers.bc.edu/?a=d&d=BOSTONSH18901004-01.2.38 | access-date=2020-09-06}} Trích: "''Peas and beans cooked in hard water, containing lime or gypsum, will not boil tender, because these substances harden vegetable caseine. Many vegetables, as onions, boil nearly tasteless in soft water, because all the flavor is boiled out.''"</ref><ref name="Chiang 2016">{{chú thích web | last=Chiang | first=Jack C. | title=Effects of Water Hardness on Processed Quality of Carrots, Sweet Cherries, and Apricots – Master's Degree Thesis |series= All Graduate Theses and Dissertations |
website=Utah State University | date=1970 | url=https://digitalcommons.usu.edu/etd/5115 | access-date=2020-09-06 | page=[https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=6150&context=etd 29-30]}}</ref>

===Trong công nghiệp===
[[Tập tin:Limescale-in-pipe.jpg|nhỏ|Cặn vôi bám bên trong một đường ống, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt]]
Các thành phần canxi cacbonat và magie cacbonat trong nước cứng dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị nhiệt, gây tắc nghẽn, làm giảm hệ số lưu lượng trên đường ống, gây hư hỏng dẫn đến chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao.<ref name="Newcombe Dixon 2006 p. 257">{{chú thích sách | last=Newcombe | first=G. | last2=Dixon | first2=D. | title=Interface Science in Drinking Water Treatment: Theory and Applications | publisher=[[Elsevier]] | series=ISSN | year=2006 | isbn=978-0-08-053051-2 | url=https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC | page=[https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC&pg=PA257 257]}}</ref><ref name="American Water Works Association 2003 p. 125">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Quality | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-232-5 | url=https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 | page=[https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 125]}}</ref>

Nước cứng không được phép dùng trong [[Lò hơi công nghiệp|nồi hơi]] vì khi đun sôi nước cứng thì [[canxi cacbonat]] (CaCO3) và [[magie cacbonat]] (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi tạo thành một lớp cáu cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, đồng thời gây hiện tượng quá nhiệt cho kim loại, dẫn đến hư hỏng thiết bị, đường ống kim loại.<ref name="Amjad 2010 p.310">{{chú thích sách | last=Amjad | first=Z. | title=The Science and Technology of Industrial Water Treatment | publisher=CRC Press | year=2010 | isbn=978-1-4200-7145-0 | url=https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=carbonate+scale+in+boiler&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiqhofc_9TrAhWrITQIHQmoCqU4ChDoATACegQIAhAC#v=onepage&q=15.3%20scale%20and%20deposit%20control&f=false 310] | ref=harv}}</ref><ref name="Durand 2015 p. 318">{{chú thích sách | last=Durand | first=W.F. | title=Practical Marine Engineering | publisher=Europäischer Hochschulverlag | year=2015 | isbn=978-3-95427-437-6 | url=https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ&pg=PA318 318]}}</ref> Chỉ cần một lớp mỏng canxi cacbonat với độ dày 0,8{{nbsp}}mm (khoảng 1/32{{nbsp}}in) bên trong bề mặt nồi hơi sẽ làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn 5%–8% so với nồi hơi có bề mặt không bị bám cáu cặn.<ref name="Amjad 2010 p.310" />

===Đối với sức khỏe===
Vào thập niên 1970, người ta phát hiện tỉ lệ mắc [[bệnh tim mạch]] của người dân ở những vùng sử dụng nước mềm cao hơn so với tỉ lệ của những người ở khu vực sử dụng nước cứng. Nhiều nghiên cứu được thực hiện ở Hoa Kỳ, Canada, và Châu Âu, để tìm ra mối liên quan hệ giữa ảnh hưởng của nước cứng trong sinh hoạt đối với những bệnh tim mạch. Tuy những nghiên cứu này chỉ mới ở giai đoạn sơ bộ và chưa hoàn thiện, người ta đưa ra giả thiết rằng những nguyên tố như canxi, magie, [[mangan]], trong nước cứng có tác dụng ngăn ngừa nguyên nhân gây bệnh tim mạch.<ref name="DeZuane 1997 p. 34">{{harvnb | DeZuane | 1997 | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA34 34]}}</ref>

Nhiều nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng nước cứng không những không có hại cho sức khỏe con người mà ngược lại, còn có một số lợi ích nhờ vào các nguyên tố canxi và magie có trong nước cứng. Nước cứng được xem là nguồn cung cấp hai nguyên tố này cho cơ thể con người.<ref name="Sengupta 2013 5">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Hard water has no known adverse health effect, WHO says at its Geneva Conference. In addition, hard water, particularly very hard water, could provide an important supplementary contribution to total calcium and magnesium intake. The health effects of hard water are mainly due to the effects of the salts dissolved in it, primarily calcium and magnesium.''"</ref> Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), canxi và magie là những nguyên tố thiết yếu và có lợi ích đối với con người. Việc thiếu hụt những nguyên tố này trong khẩu phần dinh dưỡng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe.<ref name="WHO 2003 p.2">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=2}}</ref> Ví dụ, việc thiếu hụt hấp thu canxi sẽ dễ dẫn đến các bệnh như [[ung thư dạ dày]]<ref name="Sengupta 2013 2">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Some studies suggest there was a significant protective effect of calcium intake from drinking water on the risk of gastric cancer.''"</ref>, [[loãng xương]], [[sỏi thận]], [[Ung thư đại trực tràng|ung thư đại tràng]], [[cao huyết áp]], [[Tai biến mạch máu não|đột quỵ]], [[bệnh động mạch vành]]...<ref name="WHO 2003 p.3">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=3}}</ref> Nguyên tố magie là loại cation nhiều thứ tư trong cơ thể con người và nhiều thứ hai trong các [[Nội bào|dịch nội bào]].<ref name="WHO 2003 p.4">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=4}}</ref> Nguyên tố magie được cho là yếu tố có lợi chính trong nước cứng.<ref name="Cotruvo 2018">{{harvnb|Cotruvo | 2018 | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131]}} Trích: "(...) ''If there is a benefit, it is associated specifically with the magnesium content the hardness per se.''"</ref> Việc thiếu hụt magie sẽ dễ dẫn đến các bệnh như cao huyết áp, bệnh động mạch vành, giảm hấp thụ [[insulin]]<ref name="WHO 2003 p.4" />, [[tiểu đường]], [[ung thư thực quản]], [[ung thư buồng trứng]]<ref name="Sengupta 2013 3">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''One of the strongest epidemiological evidences of significant protective effect of magnesium intake from the drinking water was that gave for the risk for esophageal cancer and ovarian cancer.''" "''Hypomagnesaemia is a common feature in subjects with type-2 diabetes'' (...) ''Recent evidence suggests that sub-clinical magnesium deficiency may precipitate a diabetic state.''"</ref>. Một số nghiên cứu khuyến cáo nồng độ tối ưu trong nước uống của nguyên tố canxi là 40–80 [[Phần triệu|ppm]] và magie là 20–30 ppm; còn độ cứng toàn phần trong nước tối ưu là 2–4 mmol/L (tương đương 200–400{{nbsp}}ppm).<ref name="Koz">František Kožíšek [http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf Health significance of drinking water calcium and magnesium] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130418115258/http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf |date=2013-04-18 }}, 2003</ref>

==Phương pháp làm mềm nước==
Có nhiều phương pháp làm mềm nước cứng (khử cứng); một số phương pháp phổ biến trong công nghiệp và dân dụng là:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA43 43] }}</ref>
*Trao đổi ion (''Ion exchange'')
*Khử muối khoáng (''Demineralization'')
*Kết tủa (''Precipitation'')
*Thẩm thấu ngược (''Reverse osmosis'')
*Chưng cất (''Distillation'')
Bốn phương pháp — khử khoáng, thẩm thấu ngược, chưng cất, kết tủa — làm giảm độ cứng của nước bằng cách loại bỏ chất khoáng rắn khỏi nước. Lượng [[tổng chất rắn hòa tan]] (TDS) trong nước được giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp trao đổi ion giảm độ cứng bằng cách loại bỏ các ion gây độ cứng là canxi–magie và thay thế bằng các ion đơn hóa trị như natri, kali. Trong phương pháp trao đổi ion, lượng tổng chất rắn hòa tan của dung dịch không thay đổi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43" />

===Trao đổi ion===
{{Chính|Trao đổi ion}}
Trong phương pháp làm mềm nước cứng bằng công nghệ [[trao đổi ion]], nước cần xử lý được đi qua một thiết bị chứa những hạt nhựa trao đổi ion. Những hạt nhựa này được làm từ một loại [[polyme]] có chứa những nhóm chức mang điện tích âm. Những nhóm chức liên kết yếu với những ion trái dấu (mang điện tích dương) để đảm bảo trung hòa điện tích. Khi tiếp xúc với dung dịch, những ion trái dấu này (cation) dễ dàng tách ra khỏi polyme, di chuyển vào dung dịch, đồng thời ''trao đổi'' với những cation khác có sẵn trong dung dịch và liên kết với các nhóm thế của polyme. Trong các thiết bị làm mềm nước dân dụng, polyme trong hạt nhựa trao đổi ion có chứa nhóm chức \sSO3-. Cation trong polyme là natri (Na+) sẽ ''trao đổi'' với cation canxi (Ca2+) trong nước cứng theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44" />

:2 R\sSO3-\sNa+ + Ca2+ <-> (R\sSO3-)2Ca + 2 Na+
Với R là công thức rút gọn của mạch polyme.

Nước cứng sau khi đi qua lớp hạt trao đổi ion sẽ giảm nồng độ Ca2+ và Mg2+, đồng thời chứa ion Na+ trong dung dịch. Khi những hạt nhựa trở nên bão hòa canxi và magie, tức không thể trao đổi thêm ion, nước cứng đi qua thiết bị trao đổi ion sẽ không thể được làm mềm nữa. Lúc này, thiết bị trao đổi ion cần được hoàn nguyên bằng cách bơm dung dịch muối [[natri clorua]] (NaCl) nồng độ 10% vào thiết bị.<ref name="Betz 1980 p.52">{{chú thích sách |author=Betz Laboratories Inc. | title=Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition | publisher=Betz | year=1980 | url=https://books.google.ca/books?id=5RpSAAAAMAAJ | archiveurl=https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/mode/1up | archivedate=2012-06-20 | page=[https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/page/52/mode/1up 52] | ref=harv}}</ref> Nồng độ natri cao trong dung dịch hoàn nguyên sẽ để dịch chuyển phản ứng trao đổi ion về bên trái, hạt nhựa sẽ mất cation Ca2+ và liên kết lại với cation Na+.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA44 44] }}</ref>

[[Tập tin:Ion exchange resin beads.jpg|thumb|Hạt nhựa trao đổi ion [[zeolit]]]]
Có 4 loại hạt nhựa trao đổi ion cơ bản là cation axit mạnh (SAC), cation axit yếu (WAC), anion bazo mạnh (SBA), và anion bazo yếu (WBA).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8">{{chú thích web | title=Chapter 08- Ion Exchange, Water Demineralization & Resin Testing | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906213729/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Trong đó, phương pháp [[natri]] [[zeolit]], sử dụng loại hạt nhựa cation axit mạnh (SAC), là phương pháp làm mềm nước trao đổi ion phổ biến nhất.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /> Zeolit được chia thành ba loại sản phẩm chính: zeolite đá xanh (''greensand'' – dùng cho nước có độ cứng tương đối thấp), zeolite cacbon (dùng cho độ cứng trung bình), và zeolite nhựa [[styren]] (dùng cho độ cứng cao).<ref name="Applebaum 2013 p. 43">{{chú thích sách | last=Applebaum | first=S.B. | title=Demineralization by Ion Exchange: In Water Treatment and Chemical Processing of Other Liquids | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-1-4832-5842-3 | url=https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ&pg=PA43 43]}}</ref> Phản ứng hóa học của cột trao đổi ion zeolit như sau:

:|Na2Z + Ca2+ <-> CaZ + 2 Na+
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Ưu điểm của phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion là thiết bị vận hành đơn giản, hiệu quả, chi phí đầu tư quy trình vận hành tự động hoặc bán tự động thấp. Ngoài ra, nước muối NaCl dùng để hoàn nguyên cũng rẻ tiền và an toàn khi sử dụng. Hệ thống trao đổi ion có thể hoạt động hiệu quả ở nhiều loại kích cỡ thiết bị từ nhỏ đến lớn, nên hệ thống này phù hợp cho nhiều ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ xử lý được độ cứng nhưng không xử lý được chất rắn hòa tan, [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]], và silica (SiO2) trong nước. Thiết bị làm mềm nước natri zeolit không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống làm mềm nước vôi–sođa (phương pháp kết tủa). Ngoài ra, phương pháp trao đổi ion không hiệu quả với loại nước có [[độ đục]] cao. Nếu nước đầu vào có độ đục cao, cần sử dụng hệ thống tách–lọc trước khi đưa vào thiết bị làm mềm nước. Hạt nhựa trao đổi ion cũng dễ bị ảnh hưởng bởi [[kim loại nặng]] và những [[chất oxy hóa]] mạnh như [[clo]]. Những chất này cần được xử lý bằng [[natri sunfit]] hoặc đi qua bộ lọc [[than hoạt tính]] trước khi làm mềm bằng cột trao đổi ion.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

===Khử muối khoáng===
Trong một số quy trình và thiết bị đặc biệt như nồi hơi áp suất cao hoặc sản xuất thiết bị điện tử, việc làm mềm nước cứng không chỉ loại bỏ các ion độ cứng (Ca2+, Mg2+), mà còn yêu cầu phải loại bỏ toàn bộ chất rắn hòa tan từ các ion khác như Na+, SiO2, Cl-, SO42-, NO3-. Do vậy, cần dùng đến phương pháp khử muối khoáng.

Phương pháp khử muối khoáng, hay còn gọi là phương pháp khử ion (''deionization''), về bản chất là một phương pháp trao đổi ion nhằm loại bỏ toàn bộ muối vô cơ khỏi dung dịch nước. Trong phương pháp này, hai thiết bị trao đổi ion được đặt và hoạt động nối tiếp nhau. Thiết bị đầu tiên được gọi là cột trao đổi cation. Trong thiết bị này, các ion canxi, magie, natri... sẽ được trao đổi với ion hidro (H+). Dung dịch trước lọc khi đi qua cột trao đổi cation sẽ được chuyển hóa thành axit dưới dạng axit sunfuric, axit hidroclorua, cacbon dioxit. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:CaSO4 + H2Z -> CaZ + H2SO4
:Ca(HCO3)2 + H2Z -> CaZ + 2 H2O + 2 CO2
:2 NaCl + H2Z -> Na2Z + HCl
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Dung dịch sau lọc là dung dịch có tính axit, được di chuyển tiếp qua thiết bị thứ hai, được gọi là cột trao đổi anion. Tại đây, các anion gốc axit như SO42-, Cl-, NO3- sẽ được trao đổi với ion hydroxit (OH-). Dung dịch sau lọc của cột trao đổi anion sẽ là dung dịch nước không chứa ion. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:H2SO4 + Z(OH)2 -> ZSO4 + 2 H2O
:2 HCl + Z(OH)2 -> ZCl2 + 2 H2O

Khi vật liệu trao đổi ion trong các thiết bị khử muối khoáng đã bão hòa và giảm hẳn hiệu quả, chúng có thể được hoàn nguyên tương tự như cột trao đổi ion natri zeolit, chỉ khác là thay vì sử dụng nước muối thì người ta dùng dung dịch axit và bazo loãng làm dung dịch hoàn nguyên. Đối với cột trao đổi cation, hạt nhựa zeolit được bơm dung dịch H2SO4 hoặc HCl loãng (nồng độ ban đầu là 2%, tăng dần đến khoảng 6%–8%). Cột trao đổi anion được hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH loãng (nồng độ khoảng 4%).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

Ưu điểm của phương pháp khử muối khoáng là dung dịch sau khi lọc sẽ hoàn toàn loại bỏ các ion, nên được gọi là "nước khử ion" (''deionized water'').<ref name="Dyer 2013">{{chú thích sách | last=Dyer | first=A. | title=Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering | chapter=Ion Exchange | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-0-12-409547-2 | doi=10.1016/b978-0-12-409547-2.04402-4 | page=}}</ref> Tuy nhiên, do sử dụng các dung dịch axit và bazo như H2SO4, HCl, NaOH, KOH để hoàn nguyên, dễ gây nguy hiểm cho người vận hành. Ngoài ra, hạt zeolit sử dụng trong thiết bị rất đắt tiền khi cần thay thế. Do vậy, phương pháp này thường chỉ áp dụng cho những hệ thống công nghiệp lớn.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 47">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA47 47]}}</ref>

=== Kết tủa ===
{{Chính|Làm mềm nước bằng vôi–sođa}}
Phương pháp kết tủa, hay còn gọi là "phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa", là một trong hai phương pháp làm mềm nước phổ biến nhất.<ref name="Spellman 2008 p. 437">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations, Second Edition | publisher=Taylor & Francis | year=2008 | isbn=978-1-4200-7530-4 | url=https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC | page=[https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC&pg=PA437 437]}}</ref> Phương pháp này loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở [[tính tan]] thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 bằng cách dùng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2) và [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3). Sau đó, các hợp chất kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 vừa tạo kết tụ tạo thành bông cặn, sau đó được tách ra khỏi nước bằng các biện pháp kết bông, lắng, lọc.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA318 318]}}</ref>

Trong phương pháp làm mềm nước kết tủa, [[PH|độ pH]] cần được điều chỉnh để dung dịch có tính [[Bazơ|kiềm]] để hỗ trợ phản ứng tạo kết tủa (tối thiểu pH 9,4 đối với Ca2+ và pH 10,6 đối với Mg2+). Do vậy, vôi tôi (Ca(OH)2) được sử dụng để tăng pH cho dung dịch.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

Đối với độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời), Ca(OH)2 được cho vào nước. Ca(OH)2 phản ứng với các ion độ cứng theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ HCO3- thành CO32- và tạo thành hợp chất CaCO3 ít tan. Các phản ứng xảy ra trong quá trình làm mềm nước cứng bao gồm:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />
:H2O + CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + 2 H2O
:Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + 2 H2O
:Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2 H2O

Đối với độ cứng phi cacbonat (độ cứng vĩnh cửu), sođa và vôi cùng được thêm vào nước để tạo kết tủa theo các phản ứng sau:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /><ref name="American Water Works Association 2003 p. 322">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA322 322]}}</ref>
:CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + Na2SO4
:CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + 2 NaCl
:MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 -> Mg(OH)2↓ + CaCO3↓ + Na2SO4
:MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2↓ + CaCl2

Phương pháp khử cứng bằng vôi–sođa chia thành ba loại chính: phương pháp lạnh, ấm, và nóng. Với phương pháp vôi–sođa lạnh, những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ thường. Với phương pháp vôi–sođa ấm, nhiệt độ của những phản ứng hóa học khoảng 50–60 °C. Đối với phương pháp vôi–sođa nóng, nhiệt độ nước từ 105 °C đến 115 °C. Khi đó, phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, chất tủa rắn cũng dễ được loại bỏ nhờ quá trình lọc, do vậy phương pháp nóng là loại phổ biến nhất. Ngoài ra, phương pháp vôi–sođa nóng cũng dễ dàng loại bỏ [[silic oxit]] trong nước vì silic oxit sẽ bám vào Mg(OH)2 kết tủa vừa được tạo thành; điều này không thực hiện được đối với phương pháp lạnh và ấm.<ref name="Amjad 2010 p.263">{{harvnb | Amjad | 2010 | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&pg=PA263 263]}}</ref><ref name="Kucera 2015 p. 202">{{chú thích sách | last=Kucera | first=J. | title=Reverse Osmosis: Industrial Processes and Applications | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2015 | isbn=978-1-119-14576-9 | url=https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ&pg=PA202 202]}}</ref>

Phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa có một số nhược điểm nhất định. Do chất tủa có tính tan yếu, nên dung dịch sau khi được làm mềm vẫn chứa một lượng nhỏ độ cứng – khoảng 50–85{{nbsp}}mg/L CaCO3.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318" /> Phương pháp này cũng tạo ra lượng cặn bùn lớn cần có quy trình xử lý chặt chẽ, đồng thời pH cũng cần theo dõi và điều chỉnh liên tục, vì nếu không sẽ gây ra những vấn đề trong hệ thống xử lý.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

=== Thẩm thấu ngược ===
{{Chính|Thẩm thấu ngược}}
[[Tập tin:Reverse osmosis.png|thumb|Nguyên lý hoạt động của quá trình thẩm thấu ngược]]
Hiện tượng [[thẩm thấu]] là quá trình di chuyển của dung dịch qua một lớp màng bán thấm; chiều của dung dịch sẽ đi từ nơi có nồng độ thấp ([[nhược trương]]) đến nơi có nồng độ cao ([[ưu trương]]). Dòng dịch chuyển này sẽ dừng lại khi nồng độ hai bên màng bán thấm cân bằng với nhau hoặc khi [[áp suất thẩm thấu]] ngăn sự di chuyển của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA48 48]}}</ref>

Hiện tượng ''thẩm thấu ngược'' là khi sử dụng một áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất thẩm thấu, làm dung dịch đi xuyên qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp.<ref name="Spellman 2015 p. 290">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Reverse Osmosis: A Guide for the Nonengineering Professional | publisher=CRC Press | year=2015 | isbn=978-1-4987-2753-2 | url=https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ&pg=PA290 290]}}</ref> Do vậy, màng bán thấm chỉ cho phân tử nước đi qua và giữ lại những ion muối. Thiết bị thẩm thấu ngược có thể loại bỏ những thành phần vật chất lớn hơn 0,0005{{nbsp}}μm, bao gồm những ion muối khoáng hòa tan như Cl-, SO42-, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, cũng như các tạp chất khác như cặn, vi khuẩn, virus, [[flo]], [[amiăng]], các kim loại nặng. Hệ thống thẩm thấu ngược còn được gọi là hệ thống lọc RO (''Reverse Osmosis''), lọc tinh, lọc nano (''ultrafiltration'', ''nanofiltration'').<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48" />

=== Chưng cất ===
{{Chính|Chưng cất}}
Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt năng để đun sôi nước đến điểm sôi, tạo thành hơi nước. Hơi nước sẽ được ngưng tụ và thu hồi lại. Những chất rắn hòa tan và chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước (100{{nbsp}}°C ở áp suất khí quyển) sẽ được loại bỏ khỏi nước sau khi chưng cất. Ngoài ra, phương pháp chưng cất có thể loại bỏ vi khuẩn, virus, và các tạp chất ion như [[asen]], [[bari]], [[Cadimi|cadmi]], [[crom]], [[chì]], [[nitrat]], natri, sulfat...<ref name="CDC Home Water Treatment 2020">{{chú thích web | author=Centers for Disease Control and Prevention | title=Technical Information on Home Water Treatment Technologies - Home Water Treatment - Drinking Water - Healthy Water | website=CDC.gov | date=2020-08-04 | url=https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | access-date=2020-09-07 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200715202402/https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Phương pháp chưng cất thường được dùng để khử muối trong nước biển, xử lý nước cấp nồi hơi, cung cấp nước uống tinh khiết.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 49">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA49 49]}}</ref> Tuy nước cất có độ tinh khiết rất cao, nhưng phương pháp này có nhược điểm là chi phí vận hành cao do sử dụng nhiều năng lượng.<ref name="Holman Stone 2001 p. 175">{{chú thích sách | last=Holman | first=J.S. | last2=Stone | first2=P. | title=Chemistry | publisher=Nelson Thornes Limited | series=Nelson Science Series | year=2001 | isbn=978-0-7487-6239-2 | url=https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC | page=[https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC&pg=PA175 175]}}</ref>

==Đo lường==
===Phương pháp đo===
Độ cứng trong nước có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm hóa lý như chuẩn độ hoặc đo bằng thiết bị đo. Phương pháp đo độ cứng của nước phổ biến nhất là phương pháp chuẩn độ dùng axit etylendiamintetraaxetic (EDTA). Phương pháp chuẩn độ EDTA có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm với những thiết bị như buret hoặc với những bộ kit thí nghiệm được chuẩn bị sẵn. Khi chỉ cần đo khoảng giá trị độ cứng của nước mà không cần độ chính xác, có thể dùng giấy thử chỉ thị màu. Độ cứng cũng có thể được đo bằng phương pháp so màu khi dùng dung dịch EDTA và máy quang phổ.<ref name="US EPA">{{chú thích web | author=
United States Environmental Protection Agency | title=Method 130.1: Hardness, Total
(mg/L as CaCO3) (Colorimetric, Automated EDTA) by Spectrophotometer | website=EPA.gov | date=2015 | url=https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-08/documents/method_130-1_1971.pdf | access-date=2020-09-07}}</ref> Ngoài ra, cũng có thể dùng thiết bị có đầu điện cực chọn lọc ion khi mẫu nước chứa nhiều tạp chất và độ đục cao, dẫn đến khó thực hiện đo bằng phương pháp so màu.<ref name="Ansell 2005 pp. 540–545">{{chú thích sách | last=Ansell | first=R.O. | title=Encyclopedia of Analytical Science | chapter=ION-SELECTIVE ELECTRODES – Water Applications | publisher=[[Elsevier]] | year=2005 | isbn=978-0-12-369397-6 | doi=10.1016/b0-12-369397-7/00298-3 | pages=540–545}}</ref>

===Đơn vị===
Độ cứng toàn phần là tổng nồng độ mol của các ion Ca2+ và Mg 2+ được tính theo đơn vị mol/L hoặc mmol/L. Tuy nhiên, độ cứng của nước thường có nhiều đơn vị khác nhau, tùy theo thang đo được sử dụng, như độ cứng tổng quát (dGH), độ cứng Đức (°HD) (không còn được sử dụng nữa), độ cứng Anh (°Clark), độ cứng Pháp (°fH), độ cứng Mỹ (ppm hoặc mg{{nbsp}}CaCO3/L).<ref name="TCVN 6224 1996" />

:{| class="wikitable"
|+ Bảng quy đổi đơn vị độ cứng của nước
|-
! || 1 mmol/L || 1 ppm, mg/L || 1 °HD || 1 °e, °Clark || 1 °fH
|-
! mmol/L
| 1 || 0,009991 || 0,1783 || 0,1424 || 0,09991
|-
! ppm, mg/L (Độ cứng Mỹ)
| 100,1 || 1 || 17,85 || 14,25 ||10
|-
! °HD (Độ cứng Đức)
| 5,608 || 0,05603 || 1 || 0,7986 || 0,5603
|-
! °e, °Clark (Độ cứng Anh)
| 7,022 || 0,07016 || 1,252 || 1 || 0,7016
|-
! °fH (Độ cứng Pháp)
| 10,01 ||0,1|| 1,785 || 1,425 || 1
|}

===Phân loại===
Độ cứng của nước cứng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hòa tan trong nước, độ pH, nhiệt độ; do vậy, một thang đo rất khó mô tả chính xác độ cứng của nước. Tuy nhiên, [[Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ]] đã đưa ra thang đo so sánh và phân loại độ cứng của nước như sau:<ref name=USGS>{{chú thích web|url=http://water.usgs.gov/owq/hardness-alkalinity.html|title=USGS Water-Quality Information: Water Hardness and Alkalinity|author=USGS - U.S. Geological Survey Office of Water Quality|work=usgs.gov}}</ref>
:{| class="wikitable"
|-
! Phân loại || mg-CaCO3/L || mmol/L || °HD || ppm
|-
|Nước mềm || 0–60 || 0–0,60 || 0–3,37 || 0–60
|-
|Nước tương đối cứng || 61–120 || 0,61–1,20 || 3,38–6,74 || 61–120
|-
|Nước cứng || 121–180 || 1,21–1,80 || 6,75–10,11 || 121–180
|-
|Nước rất cứng || ≥ 181 || ≥ 1,81 || ≥ 10,12 || ≥ 181
|}

[[Nước biển]] có độ cứng toàn phần (chỉ tính dựa trên nồng độ ion Ca2+ và Mg2+) là khoảng 6.558{{nbsp}}mg/L theo CaCO3, còn [[nước ngọt]] có độ cứng toàn phần dưới 75{{nbsp}}mg/L. Những loài cá nước ngọt được khuyến nghị nên nuôi trong môi trường có độ cứng từ 20 đến 400{{nbsp}}mg/L.<ref name="Tucker 1998 p. 71">{{chú thích sách | last=Tucker | first=J.W. | title=Marine Fish Culture | publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer US]] | year=1998 | isbn=978-0-412-07151-5 | url=https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC | page=[https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC&pg=PA71 71]}}</ref> Tại Việt Nam, theo Quy chuẩn Kỹ thuật do Bộ Y tế ban hành, độ cứng tính theo CaCO3 trong nước sinh hoạt có giới hạn tối đa là 350{{nbsp}}mg/L được áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước.<ref name="QCVN 02 2009 BYT">{{chú thích sách | author=Cục Y tế dự phòng và Môi trường – Bộ Y tế | title=QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt | publisher= | year=2009 | url=https://www.eurofins.vn/media/311692/qcvn-02-n%C6%B0%E1%BB%9Bc-sinh-ho%E1%BA%A1t.pdf | page=3 }}</ref>

=== Các loại chỉ số ===
====Chỉ số bão hòa Langelier====
Chỉ số bão hòa Langelier (LSI) được xem là chỉ số thường gặp nhất trong các chỉ số bão hòa canxi cacbonat, được dùng để xác định khả năng hình thành cáu cặn của nước.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333">{{chú thích sách|editor1-first=N.E. |editor1-last=McTigue |editor2-first=J.M.|editor2-last= Symons|title=The Water Dictionary: A Comprehensive Reference of Water Terminology|url=https://books.google.ca/books?id=4zZuvPDvUAwC | year=2011| publisher=American Water Works Association| isbn=978-1-61300-101-1|pages=[https://books.google.com/books?id=4zZuvPDvUAwC&pg=PA333 333] | ref=harv}}</ref><ref name="Reid 2003 p.66">{{chú thích sách|last=Reid|first=Robert N. |title=Water Quality Systems: Guide For Facility Managers|url=https://books.google.ca/books?id=dR9iNIqcaa4C | year=2003| publisher=CRC Press| isbn=978-0-8247-4010-8| pages=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 66] | ref=harv}}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1936, bởi Giáo sư [[Đại học California]], W. F. Langelier.<ref>{{cite journal |last= DeMartini |first=F. |year=1938 |month= |title=CORROSION AND THE LANGELIER CALCIUM CARBONATE SATURATION INDEX | journal=Journal (American Water Works Association) |volume=30 |issue=1 |pages=85–111 |jstor=41231947 |url=http://www.jstor.org/stable/41231947 |accessdate=2020-09-22 |quote= }}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier dựa trên ảnh hưởng của [[PH|độ pH]] đối với [[Độ hòa tan|độ tan]] của canxi cacbonat trong nước, theo những phương trình cân bằng sau:<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 91">{{chú thích sách | last=Borch | first=M.A. | last2=Smith | first2=S.A. | last3=Noble | first3=L.N. | title=Evaluation and Restoration of Water Supply Wells | publisher=AWWA Research Foundation and American Water Works Association | series=Subject Area: Water Resources | year=1993 | isbn=978-0-89867-659-4 | url=https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 | page=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 91] | ref=harv}}</ref><ref name="Roberge 1999 p. 106">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | title=Handbook of Corrosion Engineering | publisher=Mcgraw-hill | series=McGraw-Hill handbooks | year=1999 | isbn=978-0-07-076516-0 | url=https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC | page=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA106 106] | ref=harv}}</ref>
:{{Chem2|H2CO3 <-> HCO3- + H+}}
:{{Chem2|HCO3- <-> CO3(2-) + H+}}

Chỉ số bão hòa Langelier được xác định bằng hiệu số giữa độ pH đo được của nước (pHa) và độ pH khi bão hòa CaCO3 (pHs), với điều kiện độ cứng và [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]] không đổi trong hai trường hợp. Công thức xác định chỉ số bão hòa Langelier được biểu diễn như sau:<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" />
:LSI = pHa − pHs

* Nếu LSI > 0, nước có xu hướng hình thành cáu cặn do quá bão hòa CaCO3.
* Nếu LSI < 0, nước có xu hướng hòa tan CaCO3 có trong nước; do vậy, không có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* Nếu LSI = 0, trong nước tồn tại trạng thái cân bằng của CaCO3, tuy nhiên, những yếu tố như tính chất nước, nhiệt độ, sự bay hơi, đều có thể thay đổi trạng thái cân bằng và chỉ số LSI.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" /><ref name="Roberge Revie 2007 p.373">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | last2=Revie | first2=R.W. | title=Corrosion Inspection and Monitoring | publisher=Wiley | series=Wiley Series in Corrosion | year=2007 | isbn=978-0-470-09975-9 | url=https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC | page=[https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC&dq=Langelier+saturation+index+lsi&q=Langelier+saturation+index+lsi#v=snippet&q=Langelier%20saturation%20index%20lsi&f=false 373] | ref=harv}}</ref>

Độ pH bão hòa CaCO3 (pHs) được tính theo công thức sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.373" />
:pHs = (9,3 + A + B) – (C + D)
Trong đó:
:A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}}
:B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55
:C = log10 [Ca2+] − 0,4
:D = log10 [ACaCO3]

:''Ghi chú'':
:: [TDS]: [[Tổng chất rắn hòa tan]] (mg/L)
:: [Ca2+]: Nồng độ Ca2+ tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)
:: [ACaCO3]: [[Độ kiềm của nước|Độ kiềm]] tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)

Giả sử một mẫu nước có kết quả phân tích hóa lý như sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.374">{{harvnb | Roberge | Revie | 2007 | p=374}}</ref>
:: Nhiệt độ = 25 °C
:: pH = 7,5
:: TDS = 320 mg/L
:: Canxi = 150 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3
:: Độ kiềm A = 34 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3

: Công thức tính chỉ số bão hòa LSI:
:: LSI = pHa − pHs
:: pHs = (9,3 + A + B) − (C + D) với:
:: A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}} = 0,15
:: B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55 = 2,09 (ở điều kiện nhiệt độ 25 °C)
:: C = log10[Ca2+] – 0,4 = 1,78
:: D = log10[ACaCO3] = 1,53
:: pHs = (9,3 + 0,15 + 2,09) – (1,78 + 1,53) = 8,23
:: LSI = 7,5 – 8,23 = −0,73
: Chỉ số bão hòa LSI nhỏ hơn 0; do vậy, mẫu nước không có xu hướng tạo thành cáu cặn.

Một số nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra mối liên hệ giữa chỉ số bão hòa Langelier và sự [[Ăn mòn|ăn mòn kim loại]]. Khi chỉ số LSI lớn hơn 0, cáu cặn có thể được hình thành, giúp tạo lớp bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Khi LSI nhỏ hơn 0, lớp cáu cặn không thể hình thành, dẫn đến kim loại có thể bị tấn công bởi tác động ăn mòn của môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ số LSI nhằm dự báo độ ăn mòn vẫn gây tranh cãi.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA94 94]}}</ref> Theo P.R. Roberge (1999), chỉ số LSI không được dùng làm chỉ số xác định khả năng ăn mòn đối với thép hoặc những kim loại khác dùng trong ngành xây dựng. Chỉ số LSI chỉ thể hiện độ ổn định của cáu cặn canxi cacbonat có sẵn trong môi trường nước hoặc những cấu trúc chứa canxi cacbonat khác. Chỉ số LSI và các chỉ số bão hòa khác không đảm bảo tính chất ngăn ngừa ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 107">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA107 107]}}</ref> Theo một số nghiên cứu, chỉ số bão hòa LSI chỉ được dùng để dự đoán khả năng xảy ra hiện tượng ăn mòn trong môi trường nước có khoảng pH từ 6,5 đến 9,5.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94" />

====Chỉ số Ryznar====
Chỉ số ổn định Ryznar (RSI)<ref name="McTigue Symons 2011 p.525">{{harvnb|McTigue|Symons|2011|p=525}}</ref>, hay còn gọi chỉ số bão hòa Ryznar, dựa trên dữ liệu đo lường độ dày lớp cáu cặn trong hệ thống cấp nước đô thị để dự đoán ảnh hưởng tính chất hóa học của nước.<ref name="Reid 2003 p.72">{{harvnb|Reid|2003|p=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 72]}}</ref> Chỉ số RSI được xây dựng dựa trên những quan sát thực nghiệm của tốc độ ăn mòn và sự hình thành lớp màng cáu cặn trong đường ống nước bằng thép. Cũng giống như chỉ số LSI, chỉ số RSI cũng dựa trên lý thuyết tính bão hòa CaCO3; tuy nhiên, khác với LSI, chỉ số RSI chỉ có giá trị dương (lớn hơn 0).<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA95 95]}}</ref>

Chỉ số RSI được tính theo công thức sau:<ref name="RyznarLangelier1944">{{Cite journal | title = A New Index for Determining Amount of Calcium Carbonate Scale Formed by a Water | last2 = Langelier | first2 = W. F.| last1=Ryznar | first1=J.W. | journal = Journal of the American Water Works Association | volume= 36| issue= 4| pages = 472–486 | date=April 1944| jstor=23345279 | doi = 10.1002/j.1551-8833.1944.tb20016.x }}</ref>

: RSI = 2 pHs − pH
: pHs: pH ở điều kiện bão hòa CaCO3
: pH: Giá trị đo của mẫu nước
* Nếu RSI trong khoảng 6,5 < RSI < 7, nước được xem tương đương ở trạng thái [[Cân bằng hóa học|cân bằng]] bão hòa với canxi cacbonat.
* Nếu RSI < 6, nước ở trạng thái quá bão hòa CaCO3, có xu hướng tạo thành cáu cặn. Chỉ số RSI càng thấp, khả năng tạo cáu cặn càng nhiều.<ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348" />
* Nếu RSI > 7, cặn canxi cacbonat không thể hình thành (nước ở trạng thái dưới bão hòa CaCO3). Nếu RSI > 8, có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 108">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA108 108]}}</ref> Nếu RSI > 9, có thể gây hư hỏng những cấu kiện thiết bị bằng sắt hoặc thép, như bơm, trong khoảng thời gian ngắn.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95" /><ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348">{{cite journal | last=Alsaqqar | first=Awatif S. | last2=Khudair | first2=Basim H. | last3=Ali | first3=Sura Kareem | title=Evaluating Water Stability Indices from Water Treatment Plants in Baghdad City | journal=Journal of Water Resource and Protection | publisher=Scientific Research Publishing, Inc, | volume=06 | issue=14 | year=2014 | issn=1945-3094 | doi=10.4236/jwarp.2014.614124 | page=1348}}</ref>

====Chỉ số Puckorius====
Chỉ số tạo cáu cặn Puckorius (PSI) được sử dụng nhằm định lượng mối liên hệ giữa trạng thái bão hòa và khả năng hình thành cáu cặn bằng cách ước lượng khả năng tạo [[dung dịch đệm]] (''buffering'') của nước. Nước có nồng độ canxi cao nhưng có tính kiềm và khả năng đệm thấp có thể dẫn đến việc độ bão hòa canxi cacbonat cao. Nồng độ canxi cao sẽ dẫn đến [[Phép nhân|tích số]] giữa [[ion]] và [[hoạt độ]] cao. Đồ thị của tích số ion–hoạt độ và lượng tủa rắn trong nước cho thấp nếu canxi bị kết tủa, sẽ làm độ pH tăng mạnh do tính đệm của dung dịch thấp.<ref name="Roberge 1999 p. 108" />

Chỉ số PSI được tính theo công thức gần giống với chỉ số RSI. Tuy nhiên, chỉ số Puckorius sử dụng ''pH cân bằng'' thay vì ''pH thực'' (pH đo lường) nhằm xét đến sự ảnh hưởng của tính đệm trong dung dịch:<ref name="Roberge 1999 p. 109">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA109 109]}}</ref>
: PSI = 2 pHcb − pHs
Với pHcb = 1,465 × log10[A] + 4,54.

Độ kiềm: [A] = {{chem2|[HCO3-] + 2[CO3(2-)] + [OH-]}}.
* PSI < 5,5: Nước có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* 5,5 < PSI < 6,5: Khoảng giá trị PSI tối ưu. Dung dịch ở trạng thái cân bằng.
* PSI > 6,5: Nước có xu hướng ăn mòn.<ref name="García-Ávila et al 2018 pp. 111–123">{{cite journal | last=García-Ávila | first=F.| last2=Ramos- Fernández | first2=L.| last3=Pauta | first3=D.| last4=Quezada | first4=D.| title=Evaluation of water quality and stability in the drinking water distribution network in the Azogues city, Ecuador | url=http://dspace.ucuenca.edu.ec/retrieve/91216/documento.pdf | journal=Data in Brief | publisher=Elsevier BV | volume=18 | year=2018 | issn=2352-3409 | doi=10.1016/j.dib.2018.03.007 | pages=111–123}}</ref>

====Các loại chỉ số khác====
Ngoài 3 chỉ số được nêu trên, một số loại chỉ số bão hòa khác được sử dụng như Chỉ số Larson–Skold,<ref name="Roberge 1999 p. 109" /><ref>{{cite journal |last1=Larson |first1=T.E. |last2=Skold |first2=R.V. |date=1958 |title=Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron | url=https://core.ac.uk/download/pdf/158322616.pdf |journal= |volume= |issue= |pages= |doi=10.5006/0010-9312-14.6.43 |access-date=}}</ref> Chỉ số Stiff–Davis,<ref>Stiff, Jr., H.A., Davis, L.E. (1952). A Method For Predicting The Tendency of Oil Field Water to Deposit Calcium Carbonate, Pet. Trans. AIME 195;213.</ref> và Chỉ số Oddo–Tomson.<ref>Oddo J.E. and Tomson M.B. (1992). Scale Control, Prediction and Treatment or How Companies Evaluate
a Scaling Problem and What They Do Wrong. [Corrosion 92, paper 34]. Houston, TX,
NACE International.</ref><ref name="Roberge 1999 p. 110">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA110 110]}}</ref>

==Tham khảo==
{{tham khảo|30em}}

[[Thể loại:Nước]]
[[Thể loại:Chất lỏng]]
[[Thể loại:Dạng nước]]
[[Thể loại:Đá vôi]]

Nước cứng

2021-03-03T01:19:55Z

Ltn: /* Ảnh hưởng */ Sửa lỗi bản mẫu Chem2

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Hard Water Calcification.jpg|nhỏ|Vòi nước bị đóng cặn vôi gây ra do nước cứng]]
'''Nước cứng''' là loại [[nước]] chứa hàm lượng [[Khoáng vật|chất khoáng]] cao, chủ yếu là hai ion canxi (Ca2+) và magie (Mg2+).<ref name="Cotruvo 2018 p. 131">{{chú thích sách | last=Cotruvo | first=J. | title=Drinking Water Quality and Contaminants Guidebook | publisher=CRC Press | year=2018 | isbn=978-1-351-11045-7 | url=https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131] | ref=harv}}</ref> Nước cứng được hình thành khi nước ngầm thấm qua những lớp [[đá vôi]], [[đá phấn]], hoặc [[thạch cao]]<ref>{{chú thích web|url=http://wellowner.org/water-quality/ground-water-quality-basics/|title=Hard water|publisher=National Groundwater Association|access-date=28 June 2019}}</ref> mà những loại đá này vốn chứa lượng lớn ion [[canxi]] và [[magie]] ở dạng hợp chất cacbonat, hidro cacbonat, sulfat. Trong nước cứng cũng có thể chứa các ion [[sắt]]; khi bị oxi hóa, những ion này sẽ xuất hiện dưới dạng vết ố nâu đỏ trên bề mặt [[Men gốm|vật liệu tráng men]] hoặc vải sợi.<ref name="Hard water Encyclopedia Britannica">{{chú thích web | title=Hard water - Definition, Examples, & Facts | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/science/hard-water | access-date=2020-09-05 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200623050508/https://www.britannica.com/science/hard-water | archivedate=2020-06-23 |url-status=dead }}</ref> Ngoài ra, những ion kim loại khác như [[stronti]], [[nhôm]], [[bari]], [[mangan]], [[kẽm]] cũng có thể gây ra hiện tượng nước cứng, nhưng vì hàm lượng trong nước của những ion này thường rất thấp nên xem như không đáng kể.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 314">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Treatment | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-230-1 | url=https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA314 314] | ref=harv}}</ref>

Nước cứng là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp; do vậy, độ cứng của nước công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh những tổn hại cho các thiết bị sử dụng nước như [[Lò hơi công nghiệp|lò hơi]], [[tháp giải nhiệt]]. Trong hoạt động thường ngày, nước cứng thường được nhận biết thông qua hiện tượng [[Xà phòng|xà bông]] khi pha trong nước sẽ không tạo bọt hoặc sự hình thành cặn vôi trong bình nấu nước sôi.<ref name="WHO 2003 1">{{chú thích web | author=World Health Organization | title=Hardness in Drinking-water, Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality (GDWQ) | website=WHO.int | url=http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/hardness.pdf | year=2003 | ref=harv}}</ref> Khi nước cứng trở thành vấn đề nghiêm trọng, người ta cần sử dụng hệ thống làm mềm nước (khử cứng) để giảm tác hại gây ra bởi nước cứng.

== Nguyên nhân ==
[[Tập tin:Dolomite.jpg|nhỏ|Một mẫu đá khoáng [[dolomit]] (CaCO3*MgCO3)]]
Độ cứng của nước được xác định bằng nồng độ những [[Ion|cation]] [[đa hóa trị]] tồn tại trong nước. Cation đa hóa trị là những hợp chất phức kim loại có điện tích lớn hơn 1+ (nghĩa là có [[Hóa trị|hóa trị II]] trở lên). Những cation thường gặp trong nước cứng là ion Ca2+ và Mg2+. Khi nước thẩm thấu qua các lớp đá khoáng trong [[tầng ngậm nước]], những ion này sẽ hòa tan vào nước.<ref name="Water – Ullmann" /> Loại đá khoáng chứa ion canxi và magie chủ yếu là [[dolomit]] (CaMg(CO3)2).<ref name="Nichols 2013 p. 29">{{chú thích sách | last=Nichols | first=G. | title=Sedimentology and Stratigraphy | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2013 | isbn=978-1-118-68777-2 | url=https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC | page=[https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC&pg=PA29 29]}}</ref> [[Mưa|Nước mưa]] và [[nước cất]] được xem là "nước mềm" vì chứa rất ít ion kim loại.<ref name="Water – Ullmann">{{chú thích sách | last=| first=| title=Water – Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry | publisher=[[John Wiley & Sons|Wiley-VCH]] | publication-place=Weinheim, Germany | date=2000-06-15 | isbn=3-527-30673-0 | doi=10.1002/14356007.a28_001 | page=}}</ref>

Nước mưa, vốn chứa ít ion kim loại, khi rơi xuống đất sẽ trở thành [[nước mặt]], kéo theo các tạp chất như bụi bẩn, chất rắn hòa tan, huyền phù, đồng thời khí [[Cacbon điôxít|cacbon dioxit]] (CO2) có trong không khí. Khí CO2 trong các quá trình sinh học, như [[Phân hủy sinh học|phân hủy sinh vật]], sẽ tiếp tục được hấp thu vào nước mặt và các tầng nước ngầm. Cacbon dioxit khi hòa tan trong nước sẽ tạo dung dịch [[axit cacbonic]] (H2CO3). Axit cacbonic sẽ hòa tan những loại đá khoáng như dolomit (chứa [[canxi cacbonat]] và [[magie cacbonat]]) hoặc [[đá vôi]] (chứa canxi cacbonat) theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.35-36">{{chú thích sách | last=McEachern | first=R. | last2=Wist | first2=W. | last3=Lehr | first3=J.H. | title=Water Softening with Potassium Chloride: Process, Health, and Environmental Benefits | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2009 | isbn=978-0-470-52904-1 | url=https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC | page=35-36 | ref=harv}}</ref>

:H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO−3
:H2CO3 + MgCO3 → Mg2+ + 2HCO−3

Các quá trình hấp thụ CO2 vào nước và phản ứng hòa tan các đá khoáng cacbonat sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được dung dịch loãng chứa muối [[Bicacbonat|hidro cacbonat]] (bicacbonat) của canxi và magie. Quá trình [[cân bằng hóa học]] được thể hiện bằng phương trình tổng quát như sau (với canxi cacbonat đại diện cho độ cứng của nước):

:CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca2+ + 2HCO3-
[[Tập tin:Vodní kámen.jpg|nhỏ|Tinh thể canxi cacbonat trong cặn vôi dưới kính hiển vi]]
Phản ứng trên có tính thuận nghịch. Nước mưa chứa CO2 sẽ phản ứng với canxi cacbonat và hòa tan ion canxi vào nước, đồng thời tạo ion hidro cacbonat. Ngược lại, khi cacbon dioxit bị bay hơi khỏi dung dịch (ví dụ, do nhiệt độ tăng lên), cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về bên trái theo [[nguyên lý Le Chatelier]], tạo thành [[kết tủa]] canxi cacbonat dạng rắn, dưới dạng đá [[canxit]], [[thạch nhũ]], hoặc [[măng đá]].

=== Độ cứng tạm thời ===
{{chính|Độ cứng cacbonat}}

Độ cứng tạm thời, hay còn gọi là "độ cứng cacbonat", là độ cứng tương đương với hàm lượng cacbonat và hidro cacbonat trong nước của ion canxi và magie.<ref name="TCVN 6224 1996">{{chú thích sách | author=Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường | title=Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6224:1996 (ISO 6059: 1984 (E)) – Chất lượng nước - Xác định tổng số canxi và magie - Phương pháp chuẩn độ EDTA – Phụ lục A | publisher= | year=1996 | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-6224-1996-chat-luong-nuoc-xac-dinh-tong-so-canxi-va-magie | page=10 | ref=harv}}</ref><ref name="DeZuane 1997 p. 32">{{chú thích sách | last=DeZuane | first=J. | title=Handbook of Drinking Water Quality | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=1997 | isbn=978-0-471-28789-6 | url=https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA32 32] | ref=harv}}</ref> Nước cứng tạm thời chứa hai cation canxi và magie (Ca2+, Mg2+) cùng hai anion cacbonat và hidro cacbonat (CO32−, HCO3−). Hàm lượng cation Ca2+, Mg2+ liên quan đến độ cứng của nước. Tuy nhiên, khác với độ cứng vĩnh cửu, độ cứng tạm thời có thể được xử lý bằng phương pháp dùng nhiệt độ. Khi đun sôi nước, ion hidro cacbonat sẽ tạo thành cacbonat, phương trình cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, tạo thành canxi cacbonat kết tủa khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt trở thành "nước mềm". Phản ứng hóa học được biểu diễn như sau:<ref name="DeZuane 1997 p. 32" />
:Ca(HCO3)2 + ΔH -> CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Với ΔH là nhiệt được cung cấp.

=== Độ cứng vĩnh cửu ===
Độ cứng vĩnh cửu, hay còn gọi là độ cứng phi cacbonat, gây ra do sự có mặt của các muối clorua và sulfat như CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4. Những muối này không kết tủa khi đun sôi nước do các ion clorua và sulfat không bị phân hủy do nhiệt như ion hidro cacbonat trong nước cứng tạm thời. Do vậy, loại độ cứng này không thể xử lý được bằng phương pháp nhiệt.<ref name="Sengupta 2013 1">{{cite journal |last1= Sengupta |first1=P. |date=2013 |title=Potential health impacts of hard water |url= |journal=International journal of preventive medicine |volume=4 |issue=8 |pages=866-875 |doi= |pmc=3775162 |pmid= 24049611 | ref=harv}}</ref> Khi một mẫu dung dịch nước được đun sôi, các ion hidro cacbonat (HCO3-) sẽ phân hủy thành CO32- và khí CO2; các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ kết hợp với CO32- tạo kết tủa. Phản ứng này sẽ dừng lại khi toàn bộ lượng ion cacbonat đã được kết tủa hết. Lượng ion Ca2+ và Mg2+ còn lại trong dung dịch chính là độ cứng vĩnh cửu.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.41 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=41-42 }}</ref> Độ cứng vĩnh cửu có thể được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, khi sử dụng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2), [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3), hoặc [[natri aluminat]] (Na2Al2O4).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 7">{{chú thích web | title=Precipitation Softening | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906003055/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | archivedate=2020-09-06 |url-status=dead }}</ref>

=== Độ cứng toàn phần ===
Độ cứng toàn phần, hay còn gọi là "độ cứng tổng", bằng tổng hàm lượng toàn bộ các ion canxi và magie có trong dung dịch, được thể hiện dưới hàm lượng tương đương của CaCO3.<ref name="TCVN 6224 1996" /><ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=42 }}</ref> Nói cách khác, độ cứng toàn phần bằng giá trị độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu cộng lại. Độ cứng tạm thời được tính dựa trên hàm lượng ion hidro cacbonat, còn độ cứng toàn phần được tính dựa trên hàm lượng ion canxi và magie. Nếu độ cứng tạm thời lớn hơn hoặc bằng độ cứng toàn phần, có thể suy ra giá trị độ cứng vĩnh cửu bằng 0 và độ cứng tạm thời chính là giá trị độ cứng của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42" />

== Ảnh hưởng ==
===Trong sinh hoạt===
[[Tập tin:Waterboiler-internal.jpg|nhỏ|Cặn vôi bên trong bình nấu nước gây ra do nước cứng|thế=|240x240px]]
Nước cứng làm giảm khả năng tạo bọt của [[xà phòng]], đồng thời làm giảm tác dụng tẩy rửa do tạo muối canxi không tan. Công thức hóa học của xà bông có chứa những hợp chất muối [[natri]] của những axit hữu cơ mạch dài, như [[natri oleat]] hoặc [[natri stearat]]. Khi sử dụng trong nước mềm, muối natri stearat hòa tan dễ dàng, ion stearat (C17H35COO−) thể hiện hoạt tính tẩy rửa của xà phòng. Tuy nhiên, khi sử dụng trong nước cứng, ion stearat sẽ phản ứng kết hợp với ion canxi hoặc magie tạo thành hợp chất tủa không tan, [[canxi stearat]], thường được gọi là "váng bọt xà phòng" (''soap scum''). Những váng bọt này khi bám trên quần áo sẽ khó tẩy sạch, đồng thời làm giảm độ bền quần áo và vải sợi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 37">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=37 }}</ref>
:C17H35COO–Na → C17H35COO− + Na+
:2 C17H35COO− + Ca2+ → (C17H35COO)2Ca↓
Đối với các đồ dùng trong nhà bếp để đun nấu như [[Ấm nước|bình nấu nước]] hoặc [[bình nóng lạnh]], CaCO3 tạo ra khi đun sôi nước, gây cáu cặn, làm giảm khả năng [[Dẫn nhiệt|dẫn]] và [[Trao đổi nhiệt|truyền nhiệt]], tiêu hao điện năng, gây lãng phí, đồng thời nhanh làm hỏng sản phẩm.<ref name="Taggart 2014 p. 40">{{chú thích sách | last=Taggart | first=C. | title=Her Ladyship's Guide to Running One's Home | publisher=Pavilion Books | year=2014 | isbn=978-1-909881-13-6 | url=https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 | page=[https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 40]}}</ref> Dùng nước cứng để nấu ăn sẽ làm đậu, thịt khó chín, làm mất vị và màu sắc thực phẩm.<ref name="Boston College Newspapers 1890">{{chú thích web | title=The Sacred Heart Review, Volume 4, Number 19 - 4 October 1890 | website=Boston College Newspapers | date=1890-10-04 | url=https://newspapers.bc.edu/?a=d&d=BOSTONSH18901004-01.2.38 | access-date=2020-09-06}} Trích: "''Peas and beans cooked in hard water, containing lime or gypsum, will not boil tender, because these substances harden vegetable caseine. Many vegetables, as onions, boil nearly tasteless in soft water, because all the flavor is boiled out.''"</ref><ref name="Chiang 2016">{{chú thích web | last=Chiang | first=Jack C. | title=Effects of Water Hardness on Processed Quality of Carrots, Sweet Cherries, and Apricots – Master's Degree Thesis |series= All Graduate Theses and Dissertations |
website=Utah State University | date=1970 | url=https://digitalcommons.usu.edu/etd/5115 | access-date=2020-09-06 | page=[https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=6150&context=etd 29-30]}}</ref>

===Trong công nghiệp===
[[Tập tin:Limescale-in-pipe.jpg|nhỏ|Cặn vôi bám bên trong một đường ống, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt]]
Các thành phần canxi cacbonat và magie cacbonat trong nước cứng dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị nhiệt, gây tắc nghẽn, làm giảm hệ số lưu lượng trên đường ống, gây hư hỏng dẫn đến chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao.<ref name="Newcombe Dixon 2006 p. 257">{{chú thích sách | last=Newcombe | first=G. | last2=Dixon | first2=D. | title=Interface Science in Drinking Water Treatment: Theory and Applications | publisher=[[Elsevier]] | series=ISSN | year=2006 | isbn=978-0-08-053051-2 | url=https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC | page=[https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC&pg=PA257 257]}}</ref><ref name="American Water Works Association 2003 p. 125">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Quality | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-232-5 | url=https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 | page=[https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 125]}}</ref>

Nước cứng không được phép dùng trong [[Lò hơi công nghiệp|nồi hơi]] vì khi đun sôi nước cứng thì [[canxi cacbonat]] (CaCO3) và [[magie cacbonat]] (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi tạo thành một lớp cáu cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, đồng thời gây hiện tượng quá nhiệt cho kim loại, dẫn đến hư hỏng thiết bị, đường ống kim loại.<ref name="Amjad 2010 p.310">{{chú thích sách | last=Amjad | first=Z. | title=The Science and Technology of Industrial Water Treatment | publisher=CRC Press | year=2010 | isbn=978-1-4200-7145-0 | url=https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=carbonate+scale+in+boiler&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiqhofc_9TrAhWrITQIHQmoCqU4ChDoATACegQIAhAC#v=onepage&q=15.3%20scale%20and%20deposit%20control&f=false 310] | ref=harv}}</ref><ref name="Durand 2015 p. 318">{{chú thích sách | last=Durand | first=W.F. | title=Practical Marine Engineering | publisher=Europäischer Hochschulverlag | year=2015 | isbn=978-3-95427-437-6 | url=https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ&pg=PA318 318]}}</ref> Chỉ cần một lớp mỏng canxi cacbonat với độ dày 0,8{{nbsp}}mm (khoảng 1/32{{nbsp}}in) bên trong bề mặt nồi hơi sẽ làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn 5%–8% so với nồi hơi có bề mặt không bị bám cáu cặn.<ref name="Amjad 2010 p.310" />

===Đối với sức khỏe===
Vào thập niên 1970, người ta phát hiện tỉ lệ mắc [[bệnh tim mạch]] của người dân ở những vùng sử dụng nước mềm cao hơn so với tỉ lệ của những người ở khu vực sử dụng nước cứng. Nhiều nghiên cứu được thực hiện ở Hoa Kỳ, Canada, và Châu Âu, để tìm ra mối liên quan hệ giữa ảnh hưởng của nước cứng trong sinh hoạt đối với những bệnh tim mạch. Tuy những nghiên cứu này chỉ mới ở giai đoạn sơ bộ và chưa hoàn thiện, người ta đưa ra giả thiết rằng những nguyên tố như canxi, magie, [[mangan]], trong nước cứng có tác dụng ngăn ngừa nguyên nhân gây bệnh tim mạch.<ref name="DeZuane 1997 p. 34">{{harvnb | DeZuane | 1997 | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA34 34]}}</ref>

Nhiều nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng nước cứng không những không có hại cho sức khỏe con người mà ngược lại, còn có một số lợi ích nhờ vào các nguyên tố canxi và magie có trong nước cứng. Nước cứng được xem là nguồn cung cấp hai nguyên tố này cho cơ thể con người.<ref name="Sengupta 2013 5">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Hard water has no known adverse health effect, WHO says at its Geneva Conference. In addition, hard water, particularly very hard water, could provide an important supplementary contribution to total calcium and magnesium intake. The health effects of hard water are mainly due to the effects of the salts dissolved in it, primarily calcium and magnesium.''"</ref> Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), canxi và magie là những nguyên tố thiết yếu và có lợi ích đối với con người. Việc thiếu hụt những nguyên tố này trong khẩu phần dinh dưỡng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe.<ref name="WHO 2003 p.2">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=2}}</ref> Ví dụ, việc thiếu hụt hấp thu canxi sẽ dễ dẫn đến các bệnh như [[ung thư dạ dày]]<ref name="Sengupta 2013 2">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Some studies suggest there was a significant protective effect of calcium intake from drinking water on the risk of gastric cancer.''"</ref>, [[loãng xương]], [[sỏi thận]], [[Ung thư đại trực tràng|ung thư đại tràng]], [[cao huyết áp]], [[Tai biến mạch máu não|đột quỵ]], [[bệnh động mạch vành]]...<ref name="WHO 2003 p.3">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=3}}</ref> Nguyên tố magie là loại cation nhiều thứ tư trong cơ thể con người và nhiều thứ hai trong các [[Nội bào|dịch nội bào]].<ref name="WHO 2003 p.4">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=4}}</ref> Nguyên tố magie được cho là yếu tố có lợi chính trong nước cứng.<ref name="Cotruvo 2018">{{harvnb|Cotruvo | 2018 | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131]}} Trích: "(...) ''If there is a benefit, it is associated specifically with the magnesium content the hardness per se.''"</ref> Việc thiếu hụt magie sẽ dễ dẫn đến các bệnh như cao huyết áp, bệnh động mạch vành, giảm hấp thụ [[insulin]]<ref name="WHO 2003 p.4" />, [[tiểu đường]], [[ung thư thực quản]], [[ung thư buồng trứng]]<ref name="Sengupta 2013 3">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''One of the strongest epidemiological evidences of significant protective effect of magnesium intake from the drinking water was that gave for the risk for esophageal cancer and ovarian cancer.''" "''Hypomagnesaemia is a common feature in subjects with type-2 diabetes'' (...) ''Recent evidence suggests that sub-clinical magnesium deficiency may precipitate a diabetic state.''"</ref>. Một số nghiên cứu khuyến cáo nồng độ tối ưu trong nước uống của nguyên tố canxi là 40–80 [[Phần triệu|ppm]] và magie là 20–30 ppm; còn độ cứng toàn phần trong nước tối ưu là 2–4 mmol/L (tương đương 200–400{{nbsp}}ppm).<ref name="Koz">František Kožíšek [http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf Health significance of drinking water calcium and magnesium] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130418115258/http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf |date=2013-04-18 }}, 2003</ref>

==Phương pháp làm mềm nước==
Có nhiều phương pháp làm mềm nước cứng (khử cứng); một số phương pháp phổ biến trong công nghiệp và dân dụng là:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA43 43] }}</ref>
*Trao đổi ion (''Ion exchange'')
*Khử muối khoáng (''Demineralization'')
*Kết tủa (''Precipitation'')
*Thẩm thấu ngược (''Reverse osmosis'')
*Chưng cất (''Distillation'')
Bốn phương pháp — khử khoáng, thẩm thấu ngược, chưng cất, kết tủa — làm giảm độ cứng của nước bằng cách loại bỏ chất khoáng rắn khỏi nước. Lượng [[tổng chất rắn hòa tan]] (TDS) trong nước được giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp trao đổi ion giảm độ cứng bằng cách loại bỏ các ion gây độ cứng là canxi–magie và thay thế bằng các ion đơn hóa trị như natri, kali. Trong phương pháp trao đổi ion, lượng tổng chất rắn hòa tan của dung dịch không thay đổi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43" />

===Trao đổi ion===
{{Chính|Trao đổi ion}}
Trong phương pháp làm mềm nước cứng bằng công nghệ [[trao đổi ion]], nước cần xử lý được đi qua một thiết bị chứa những hạt nhựa trao đổi ion. Những hạt nhựa này được làm từ một loại [[polyme]] có chứa những nhóm chức mang điện tích âm. Những nhóm chức liên kết yếu với những ion trái dấu (mang điện tích dương) để đảm bảo trung hòa điện tích. Khi tiếp xúc với dung dịch, những ion trái dấu này (cation) dễ dàng tách ra khỏi polyme, di chuyển vào dung dịch, đồng thời ''trao đổi'' với những cation khác có sẵn trong dung dịch và liên kết với các nhóm thế của polyme. Trong các thiết bị làm mềm nước dân dụng, polyme trong hạt nhựa trao đổi ion có chứa nhóm chức {{Chem2|\sSO3-}}. Cation trong polyme là natri (Na+) sẽ ''trao đổi'' với cation canxi (Ca2+) trong nước cứng theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44" />

:{{Chem2|2 R\sSO3-\sNa+ + Ca(2+) <-> (R\sSO3-)2Ca + 2 Na+}}
Với R là công thức rút gọn của mạch polyme.

Nước cứng sau khi đi qua lớp hạt trao đổi ion sẽ giảm nồng độ Ca2+ và Mg2+, đồng thời chứa ion Na+ trong dung dịch. Khi những hạt nhựa trở nên bão hòa canxi và magie, tức không thể trao đổi thêm ion, nước cứng đi qua thiết bị trao đổi ion sẽ không thể được làm mềm nữa. Lúc này, thiết bị trao đổi ion cần được hoàn nguyên bằng cách bơm dung dịch muối [[natri clorua]] (NaCl) nồng độ 10% vào thiết bị.<ref name="Betz 1980 p.52">{{chú thích sách |author=Betz Laboratories Inc. | title=Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition | publisher=Betz | year=1980 | url=https://books.google.ca/books?id=5RpSAAAAMAAJ | archiveurl=https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/mode/1up | archivedate=2012-06-20 | page=[https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/page/52/mode/1up 52] | ref=harv}}</ref> Nồng độ natri cao trong dung dịch hoàn nguyên sẽ để dịch chuyển phản ứng trao đổi ion về bên trái, hạt nhựa sẽ mất cation Ca2+ và liên kết lại với cation Na+.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA44 44] }}</ref>

[[Tập tin:Ion exchange resin beads.jpg|thumb|Hạt nhựa trao đổi ion [[zeolit]]]]
Có 4 loại hạt nhựa trao đổi ion cơ bản là cation axit mạnh (SAC), cation axit yếu (WAC), anion bazo mạnh (SBA), và anion bazo yếu (WBA).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8">{{chú thích web | title=Chapter 08- Ion Exchange, Water Demineralization & Resin Testing | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906213729/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Trong đó, phương pháp [[natri]] [[zeolit]], sử dụng loại hạt nhựa cation axit mạnh (SAC), là phương pháp làm mềm nước trao đổi ion phổ biến nhất.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /> Zeolit được chia thành ba loại sản phẩm chính: zeolite đá xanh (''greensand'' – dùng cho nước có độ cứng tương đối thấp), zeolite cacbon (dùng cho độ cứng trung bình), và zeolite nhựa [[styren]] (dùng cho độ cứng cao).<ref name="Applebaum 2013 p. 43">{{chú thích sách | last=Applebaum | first=S.B. | title=Demineralization by Ion Exchange: In Water Treatment and Chemical Processing of Other Liquids | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-1-4832-5842-3 | url=https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ&pg=PA43 43]}}</ref> Phản ứng hóa học của cột trao đổi ion zeolit như sau:

:{{Chem2|Na2Z + Ca(2+) <-> CaZ + 2 Na+}}
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Ưu điểm của phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion là thiết bị vận hành đơn giản, hiệu quả, chi phí đầu tư quy trình vận hành tự động hoặc bán tự động thấp. Ngoài ra, nước muối NaCl dùng để hoàn nguyên cũng rẻ tiền và an toàn khi sử dụng. Hệ thống trao đổi ion có thể hoạt động hiệu quả ở nhiều loại kích cỡ thiết bị từ nhỏ đến lớn, nên hệ thống này phù hợp cho nhiều ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ xử lý được độ cứng nhưng không xử lý được chất rắn hòa tan, [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]], và silica (SiO2) trong nước. Thiết bị làm mềm nước natri zeolit không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống làm mềm nước vôi–sođa (phương pháp kết tủa). Ngoài ra, phương pháp trao đổi ion không hiệu quả với loại nước có [[độ đục]] cao. Nếu nước đầu vào có độ đục cao, cần sử dụng hệ thống tách–lọc trước khi đưa vào thiết bị làm mềm nước. Hạt nhựa trao đổi ion cũng dễ bị ảnh hưởng bởi [[kim loại nặng]] và những [[chất oxy hóa]] mạnh như [[clo]]. Những chất này cần được xử lý bằng [[natri sunfit]] hoặc đi qua bộ lọc [[than hoạt tính]] trước khi làm mềm bằng cột trao đổi ion.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

===Khử muối khoáng===
Trong một số quy trình và thiết bị đặc biệt như nồi hơi áp suất cao hoặc sản xuất thiết bị điện tử, việc làm mềm nước cứng không chỉ loại bỏ các ion độ cứng (Ca2+, Mg2+), mà còn yêu cầu phải loại bỏ toàn bộ chất rắn hòa tan từ các ion khác như {{Chem2|Na+, SiO2, Cl-, SO4(2-), NO3(-)}}. Do vậy, cần dùng đến phương pháp khử muối khoáng.

Phương pháp khử muối khoáng, hay còn gọi là phương pháp khử ion (''deionization''), về bản chất là một phương pháp trao đổi ion nhằm loại bỏ toàn bộ muối vô cơ khỏi dung dịch nước. Trong phương pháp này, hai thiết bị trao đổi ion được đặt và hoạt động nối tiếp nhau. Thiết bị đầu tiên được gọi là cột trao đổi cation. Trong thiết bị này, các ion canxi, magie, natri... sẽ được trao đổi với ion hidro (H+). Dung dịch trước lọc khi đi qua cột trao đổi cation sẽ được chuyển hóa thành axit dưới dạng axit sunfuric, axit hidroclorua, cacbon dioxit. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:{{Chem2|CaSO4 + H2Z -> CaZ + H2SO4}}
:{{Chem2|Ca(HCO3)2 + H2Z -> CaZ + 2 H2O + 2 CO2}}
:{{Chem2|2 NaCl + H2Z -> Na2Z + HCl}}
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Dung dịch sau lọc là dung dịch có tính axit, được di chuyển tiếp qua thiết bị thứ hai, được gọi là cột trao đổi anion. Tại đây, các anion gốc axit như {{Chem2|SO4(2-), Cl-, NO3-}} sẽ được trao đổi với ion hydroxit (OH-). Dung dịch sau lọc của cột trao đổi anion sẽ là dung dịch nước không chứa ion. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:{{Chem2|H2SO4 + Z(OH)2 -> ZSO4 + 2 H2O}}
:{{Chem2|2 HCl + Z(OH)2 -> ZCl2 + 2 H2O}}

Khi vật liệu trao đổi ion trong các thiết bị khử muối khoáng đã bão hòa và giảm hẳn hiệu quả, chúng có thể được hoàn nguyên tương tự như cột trao đổi ion natri zeolit, chỉ khác là thay vì sử dụng nước muối thì người ta dùng dung dịch axit và bazo loãng làm dung dịch hoàn nguyên. Đối với cột trao đổi cation, hạt nhựa zeolit được bơm dung dịch {{Chem2|H2SO4}} hoặc HCl loãng (nồng độ ban đầu là 2%, tăng dần đến khoảng 6%–8%). Cột trao đổi anion được hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH loãng (nồng độ khoảng 4%).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

Ưu điểm của phương pháp khử muối khoáng là dung dịch sau khi lọc sẽ hoàn toàn loại bỏ các ion, nên được gọi là "nước khử ion" (''deionized water'').<ref name="Dyer 2013">{{chú thích sách | last=Dyer | first=A. | title=Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering | chapter=Ion Exchange | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-0-12-409547-2 | doi=10.1016/b978-0-12-409547-2.04402-4 | page=}}</ref> Tuy nhiên, do sử dụng các dung dịch axit và bazo như {{Chem2|H2SO4}}, HCl, NaOH, KOH để hoàn nguyên, dễ gây nguy hiểm cho người vận hành. Ngoài ra, hạt zeolit sử dụng trong thiết bị rất đắt tiền khi cần thay thế. Do vậy, phương pháp này thường chỉ áp dụng cho những hệ thống công nghiệp lớn.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 47">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA47 47]}}</ref>

=== Kết tủa ===
{{Chính|Làm mềm nước bằng vôi–sođa}}
Phương pháp kết tủa, hay còn gọi là "phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa", là một trong hai phương pháp làm mềm nước phổ biến nhất.<ref name="Spellman 2008 p. 437">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations, Second Edition | publisher=Taylor & Francis | year=2008 | isbn=978-1-4200-7530-4 | url=https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC | page=[https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC&pg=PA437 437]}}</ref> Phương pháp này loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở [[tính tan]] thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 bằng cách dùng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2) và [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3). Sau đó, các hợp chất kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 vừa tạo kết tụ tạo thành bông cặn, sau đó được tách ra khỏi nước bằng các biện pháp kết bông, lắng, lọc.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA318 318]}}</ref>

Trong phương pháp làm mềm nước kết tủa, [[PH|độ pH]] cần được điều chỉnh để dung dịch có tính [[Bazơ|kiềm]] để hỗ trợ phản ứng tạo kết tủa (tối thiểu pH 9,4 đối với Ca2+ và pH 10,6 đối với Mg2+). Do vậy, vôi tôi (Ca(OH)2) được sử dụng để tăng pH cho dung dịch.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

Đối với độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời), Ca(OH)2 được cho vào nước. Ca(OH)2 phản ứng với các ion độ cứng theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ {{chem2|HCO3-}} thành {{chem2|CO3(2-)}} và tạo thành hợp chất CaCO3 ít tan. Các phản ứng xảy ra trong quá trình làm mềm nước cứng bao gồm:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />
:{{Chem2|H2O + CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + 2 H2O}}
:{{Chem2|Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + 2 H2O}}
:{{Chem2|Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2 H2O}}

Đối với độ cứng phi cacbonat (độ cứng vĩnh cửu), sođa và vôi cùng được thêm vào nước để tạo kết tủa theo các phản ứng sau:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /><ref name="American Water Works Association 2003 p. 322">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA322 322]}}</ref>
:{{Chem2|CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + Na2SO4}}
:{{Chem2|CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + 2 NaCl}}
:{{Chem2|MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 -> Mg(OH)2↓ + CaCO3↓ + 2 NaSO4}}
:{{Chem2|MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2↓ + CaCl2}}

Phương pháp khử cứng bằng vôi–sođa chia thành ba loại chính: phương pháp lạnh, ấm, và nóng. Với phương pháp vôi–sođa lạnh, những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ thường. Với phương pháp vôi–sođa ấm, nhiệt độ của những phản ứng hóa học khoảng 50–60 °C. Đối với phương pháp vôi–sođa nóng, nhiệt độ nước từ 105 °C đến 115 °C. Khi đó, phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, chất tủa rắn cũng dễ được loại bỏ nhờ quá trình lọc, do vậy phương pháp nóng là loại phổ biến nhất. Ngoài ra, phương pháp vôi–sođa nóng cũng dễ dàng loại bỏ [[silic oxit]] trong nước vì silic oxit sẽ bám vào Mg(OH)2 kết tủa vừa được tạo thành; điều này không thực hiện được đối với phương pháp lạnh và ấm.<ref name="Amjad 2010 p.263">{{harvnb | Amjad | 2010 | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&pg=PA263 263]}}</ref><ref name="Kucera 2015 p. 202">{{chú thích sách | last=Kucera | first=J. | title=Reverse Osmosis: Industrial Processes and Applications | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2015 | isbn=978-1-119-14576-9 | url=https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ&pg=PA202 202]}}</ref>

Phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa có một số nhược điểm nhất định. Do chất tủa có tính tan yếu, nên dung dịch sau khi được làm mềm vẫn chứa một lượng nhỏ độ cứng – khoảng 50–85{{nbsp}}mg/L CaCO3.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318" /> Phương pháp này cũng tạo ra lượng cặn bùn lớn cần có quy trình xử lý chặt chẽ, đồng thời pH cũng cần theo dõi và điều chỉnh liên tục, vì nếu không sẽ gây ra những vấn đề trong hệ thống xử lý.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

=== Thẩm thấu ngược ===
{{Chính|Thẩm thấu ngược}}
[[Tập tin:Reverse osmosis.png|thumb|Nguyên lý hoạt động của quá trình thẩm thấu ngược]]
Hiện tượng [[thẩm thấu]] là quá trình di chuyển của dung dịch qua một lớp màng bán thấm; chiều của dung dịch sẽ đi từ nơi có nồng độ thấp ([[nhược trương]]) đến nơi có nồng độ cao ([[ưu trương]]). Dòng dịch chuyển này sẽ dừng lại khi nồng độ hai bên màng bán thấm cân bằng với nhau hoặc khi [[áp suất thẩm thấu]] ngăn sự di chuyển của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA48 48]}}</ref>

Hiện tượng ''thẩm thấu ngược'' là khi sử dụng một áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất thẩm thấu, làm dung dịch đi xuyên qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp.<ref name="Spellman 2015 p. 290">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Reverse Osmosis: A Guide for the Nonengineering Professional | publisher=CRC Press | year=2015 | isbn=978-1-4987-2753-2 | url=https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ&pg=PA290 290]}}</ref> Do vậy, màng bán thấm chỉ cho phân tử nước đi qua và giữ lại những ion muối. Thiết bị thẩm thấu ngược có thể loại bỏ những thành phần vật chất lớn hơn 0,0005{{nbsp}}μm, bao gồm những ion muối khoáng hòa tan như Cl-, {{chem2|SO4(2-)}}, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, cũng như các tạp chất khác như cặn, vi khuẩn, virus, [[flo]], [[amiăng]], các kim loại nặng. Hệ thống thẩm thấu ngược còn được gọi là hệ thống lọc RO (''Reverse Osmosis''), lọc tinh, lọc nano (''ultrafiltration'', ''nanofiltration'').<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48" />

=== Chưng cất ===
{{Chính|Chưng cất}}
Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt năng để đun sôi nước đến điểm sôi, tạo thành hơi nước. Hơi nước sẽ được ngưng tụ và thu hồi lại. Những chất rắn hòa tan và chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước (100{{nbsp}}°C ở áp suất khí quyển) sẽ được loại bỏ khỏi nước sau khi chưng cất. Ngoài ra, phương pháp chưng cất có thể loại bỏ vi khuẩn, virus, và các tạp chất ion như [[asen]], [[bari]], [[Cadimi|cadmi]], [[crom]], [[chì]], [[nitrat]], natri, sulfat...<ref name="CDC Home Water Treatment 2020">{{chú thích web | author=Centers for Disease Control and Prevention | title=Technical Information on Home Water Treatment Technologies - Home Water Treatment - Drinking Water - Healthy Water | website=CDC.gov | date=2020-08-04 | url=https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | access-date=2020-09-07 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200715202402/https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Phương pháp chưng cất thường được dùng để khử muối trong nước biển, xử lý nước cấp nồi hơi, cung cấp nước uống tinh khiết.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 49">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA49 49]}}</ref> Tuy nước cất có độ tinh khiết rất cao, nhưng phương pháp này có nhược điểm là chi phí vận hành cao do sử dụng nhiều năng lượng.<ref name="Holman Stone 2001 p. 175">{{chú thích sách | last=Holman | first=J.S. | last2=Stone | first2=P. | title=Chemistry | publisher=Nelson Thornes Limited | series=Nelson Science Series | year=2001 | isbn=978-0-7487-6239-2 | url=https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC | page=[https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC&pg=PA175 175]}}</ref>

==Đo lường==
===Phương pháp đo===
Độ cứng trong nước có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm hóa lý như chuẩn độ hoặc đo bằng thiết bị đo. Phương pháp đo độ cứng của nước phổ biến nhất là phương pháp chuẩn độ dùng axit etylendiamintetraaxetic (EDTA). Phương pháp chuẩn độ EDTA có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm với những thiết bị như buret hoặc với những bộ kit thí nghiệm được chuẩn bị sẵn. Khi chỉ cần đo khoảng giá trị độ cứng của nước mà không cần độ chính xác, có thể dùng giấy thử chỉ thị màu. Độ cứng cũng có thể được đo bằng phương pháp so màu khi dùng dung dịch EDTA và máy quang phổ.<ref name="US EPA">{{chú thích web | author=
United States Environmental Protection Agency | title=Method 130.1: Hardness, Total
(mg/L as CaCO3) (Colorimetric, Automated EDTA) by Spectrophotometer | website=EPA.gov | date=2015 | url=https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-08/documents/method_130-1_1971.pdf | access-date=2020-09-07}}</ref> Ngoài ra, cũng có thể dùng thiết bị có đầu điện cực chọn lọc ion khi mẫu nước chứa nhiều tạp chất và độ đục cao, dẫn đến khó thực hiện đo bằng phương pháp so màu.<ref name="Ansell 2005 pp. 540–545">{{chú thích sách | last=Ansell | first=R.O. | title=Encyclopedia of Analytical Science | chapter=ION-SELECTIVE ELECTRODES – Water Applications | publisher=[[Elsevier]] | year=2005 | isbn=978-0-12-369397-6 | doi=10.1016/b0-12-369397-7/00298-3 | pages=540–545}}</ref>

===Đơn vị===
Độ cứng toàn phần là tổng nồng độ mol của các ion Ca2+ và Mg 2+ được tính theo đơn vị mol/L hoặc mmol/L. Tuy nhiên, độ cứng của nước thường có nhiều đơn vị khác nhau, tùy theo thang đo được sử dụng, như độ cứng tổng quát (dGH), độ cứng Đức (°HD) (không còn được sử dụng nữa), độ cứng Anh (°Clark), độ cứng Pháp (°fH), độ cứng Mỹ (ppm hoặc mg{{nbsp}}CaCO3/L).<ref name="TCVN 6224 1996" />

:{| class="wikitable"
|+ Bảng quy đổi đơn vị độ cứng của nước
|-
! || 1 mmol/L || 1 ppm, mg/L || 1 °HD || 1 °e, °Clark || 1 °fH
|-
! mmol/L
| 1 || 0,009991 || 0,1783 || 0,1424 || 0,09991
|-
! ppm, mg/L (Độ cứng Mỹ)
| 100,1 || 1 || 17,85 || 14,25 ||10
|-
! °HD (Độ cứng Đức)
| 5,608 || 0,05603 || 1 || 0,7986 || 0,5603
|-
! °e, °Clark (Độ cứng Anh)
| 7,022 || 0,07016 || 1,252 || 1 || 0,7016
|-
! °fH (Độ cứng Pháp)
| 10,01 ||0,1|| 1,785 || 1,425 || 1
|}

===Phân loại===
Độ cứng của nước cứng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hòa tan trong nước, độ pH, nhiệt độ; do vậy, một thang đo rất khó mô tả chính xác độ cứng của nước. Tuy nhiên, [[Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ]] đã đưa ra thang đo so sánh và phân loại độ cứng của nước như sau:<ref name=USGS>{{chú thích web|url=http://water.usgs.gov/owq/hardness-alkalinity.html|title=USGS Water-Quality Information: Water Hardness and Alkalinity|author=USGS - U.S. Geological Survey Office of Water Quality|work=usgs.gov}}</ref>
:{| class="wikitable"
|-
! Phân loại || mg-CaCO3/L || mmol/L || °HD || ppm
|-
|Nước mềm || 0–60 || 0–0,60 || 0–3,37 || 0–60
|-
|Nước tương đối cứng || 61–120 || 0,61–1,20 || 3,38–6,74 || 61–120
|-
|Nước cứng || 121–180 || 1,21–1,80 || 6,75–10,11 || 121–180
|-
|Nước rất cứng || ≥ 181 || ≥ 1,81 || ≥ 10,12 || ≥ 181
|}

[[Nước biển]] có độ cứng toàn phần (chỉ tính dựa trên nồng độ ion Ca2+ và Mg2+) là khoảng 6.558{{nbsp}}mg/L theo CaCO3, còn [[nước ngọt]] có độ cứng toàn phần dưới 75{{nbsp}}mg/L. Những loài cá nước ngọt được khuyến nghị nên nuôi trong môi trường có độ cứng từ 20 đến 400{{nbsp}}mg/L.<ref name="Tucker 1998 p. 71">{{chú thích sách | last=Tucker | first=J.W. | title=Marine Fish Culture | publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer US]] | year=1998 | isbn=978-0-412-07151-5 | url=https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC | page=[https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC&pg=PA71 71]}}</ref> Tại Việt Nam, theo Quy chuẩn Kỹ thuật do Bộ Y tế ban hành, độ cứng tính theo CaCO3 trong nước sinh hoạt có giới hạn tối đa là 350{{nbsp}}mg/L được áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước.<ref name="QCVN 02 2009 BYT">{{chú thích sách | author=Cục Y tế dự phòng và Môi trường – Bộ Y tế | title=QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt | publisher= | year=2009 | url=https://www.eurofins.vn/media/311692/qcvn-02-n%C6%B0%E1%BB%9Bc-sinh-ho%E1%BA%A1t.pdf | page=3 }}</ref>

=== Các loại chỉ số ===
====Chỉ số bão hòa Langelier====
Chỉ số bão hòa Langelier (LSI) được xem là chỉ số thường gặp nhất trong các chỉ số bão hòa canxi cacbonat, được dùng để xác định khả năng hình thành cáu cặn của nước.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333">{{chú thích sách|editor1-first=N.E. |editor1-last=McTigue |editor2-first=J.M.|editor2-last= Symons|title=The Water Dictionary: A Comprehensive Reference of Water Terminology|url=https://books.google.ca/books?id=4zZuvPDvUAwC | year=2011| publisher=American Water Works Association| isbn=978-1-61300-101-1|pages=[https://books.google.com/books?id=4zZuvPDvUAwC&pg=PA333 333] | ref=harv}}</ref><ref name="Reid 2003 p.66">{{chú thích sách|last=Reid|first=Robert N. |title=Water Quality Systems: Guide For Facility Managers|url=https://books.google.ca/books?id=dR9iNIqcaa4C | year=2003| publisher=CRC Press| isbn=978-0-8247-4010-8| pages=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 66] | ref=harv}}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1936, bởi Giáo sư [[Đại học California]], W. F. Langelier.<ref>{{cite journal |last= DeMartini |first=F. |year=1938 |month= |title=CORROSION AND THE LANGELIER CALCIUM CARBONATE SATURATION INDEX | journal=Journal (American Water Works Association) |volume=30 |issue=1 |pages=85–111 |jstor=41231947 |url=http://www.jstor.org/stable/41231947 |accessdate=2020-09-22 |quote= }}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier dựa trên ảnh hưởng của [[PH|độ pH]] đối với [[Độ hòa tan|độ tan]] của canxi cacbonat trong nước, theo những phương trình cân bằng sau:<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 91">{{chú thích sách | last=Borch | first=M.A. | last2=Smith | first2=S.A. | last3=Noble | first3=L.N. | title=Evaluation and Restoration of Water Supply Wells | publisher=AWWA Research Foundation and American Water Works Association | series=Subject Area: Water Resources | year=1993 | isbn=978-0-89867-659-4 | url=https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 | page=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 91] | ref=harv}}</ref><ref name="Roberge 1999 p. 106">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | title=Handbook of Corrosion Engineering | publisher=Mcgraw-hill | series=McGraw-Hill handbooks | year=1999 | isbn=978-0-07-076516-0 | url=https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC | page=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA106 106] | ref=harv}}</ref>
:{{Chem2|H2CO3 <-> HCO3- + H+}}
:{{Chem2|HCO3- <-> CO3(2-) + H+}}

Chỉ số bão hòa Langelier được xác định bằng hiệu số giữa độ pH đo được của nước (pHa) và độ pH khi bão hòa CaCO3 (pHs), với điều kiện độ cứng và [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]] không đổi trong hai trường hợp. Công thức xác định chỉ số bão hòa Langelier được biểu diễn như sau:<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" />
:LSI = pHa − pHs

* Nếu LSI > 0, nước có xu hướng hình thành cáu cặn do quá bão hòa CaCO3.
* Nếu LSI < 0, nước có xu hướng hòa tan CaCO3 có trong nước; do vậy, không có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* Nếu LSI = 0, trong nước tồn tại trạng thái cân bằng của CaCO3, tuy nhiên, những yếu tố như tính chất nước, nhiệt độ, sự bay hơi, đều có thể thay đổi trạng thái cân bằng và chỉ số LSI.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" /><ref name="Roberge Revie 2007 p.373">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | last2=Revie | first2=R.W. | title=Corrosion Inspection and Monitoring | publisher=Wiley | series=Wiley Series in Corrosion | year=2007 | isbn=978-0-470-09975-9 | url=https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC | page=[https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC&dq=Langelier+saturation+index+lsi&q=Langelier+saturation+index+lsi#v=snippet&q=Langelier%20saturation%20index%20lsi&f=false 373] | ref=harv}}</ref>

Độ pH bão hòa CaCO3 (pHs) được tính theo công thức sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.373" />
:pHs = (9,3 + A + B) – (C + D)
Trong đó:
:A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}}
:B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55
:C = log10 [Ca2+] − 0,4
:D = log10 [ACaCO3]

:''Ghi chú'':
:: [TDS]: [[Tổng chất rắn hòa tan]] (mg/L)
:: [Ca2+]: Nồng độ Ca2+ tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)
:: [ACaCO3]: [[Độ kiềm của nước|Độ kiềm]] tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)

Giả sử một mẫu nước có kết quả phân tích hóa lý như sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.374">{{harvnb | Roberge | Revie | 2007 | p=374}}</ref>
:: Nhiệt độ = 25 °C
:: pH = 7,5
:: TDS = 320 mg/L
:: Canxi = 150 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3
:: Độ kiềm A = 34 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3

: Công thức tính chỉ số bão hòa LSI:
:: LSI = pHa − pHs
:: pHs = (9,3 + A + B) − (C + D) với:
:: A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}} = 0,15
:: B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55 = 2,09 (ở điều kiện nhiệt độ 25 °C)
:: C = log10[Ca2+] – 0,4 = 1,78
:: D = log10[ACaCO3] = 1,53
:: pHs = (9,3 + 0,15 + 2,09) – (1,78 + 1,53) = 8,23
:: LSI = 7,5 – 8,23 = −0,73
: Chỉ số bão hòa LSI nhỏ hơn 0; do vậy, mẫu nước không có xu hướng tạo thành cáu cặn.

Một số nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra mối liên hệ giữa chỉ số bão hòa Langelier và sự [[Ăn mòn|ăn mòn kim loại]]. Khi chỉ số LSI lớn hơn 0, cáu cặn có thể được hình thành, giúp tạo lớp bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Khi LSI nhỏ hơn 0, lớp cáu cặn không thể hình thành, dẫn đến kim loại có thể bị tấn công bởi tác động ăn mòn của môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ số LSI nhằm dự báo độ ăn mòn vẫn gây tranh cãi.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA94 94]}}</ref> Theo P.R. Roberge (1999), chỉ số LSI không được dùng làm chỉ số xác định khả năng ăn mòn đối với thép hoặc những kim loại khác dùng trong ngành xây dựng. Chỉ số LSI chỉ thể hiện độ ổn định của cáu cặn canxi cacbonat có sẵn trong môi trường nước hoặc những cấu trúc chứa canxi cacbonat khác. Chỉ số LSI và các chỉ số bão hòa khác không đảm bảo tính chất ngăn ngừa ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 107">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA107 107]}}</ref> Theo một số nghiên cứu, chỉ số bão hòa LSI chỉ được dùng để dự đoán khả năng xảy ra hiện tượng ăn mòn trong môi trường nước có khoảng pH từ 6,5 đến 9,5.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94" />

====Chỉ số Ryznar====
Chỉ số ổn định Ryznar (RSI)<ref name="McTigue Symons 2011 p.525">{{harvnb|McTigue|Symons|2011|p=525}}</ref>, hay còn gọi chỉ số bão hòa Ryznar, dựa trên dữ liệu đo lường độ dày lớp cáu cặn trong hệ thống cấp nước đô thị để dự đoán ảnh hưởng tính chất hóa học của nước.<ref name="Reid 2003 p.72">{{harvnb|Reid|2003|p=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 72]}}</ref> Chỉ số RSI được xây dựng dựa trên những quan sát thực nghiệm của tốc độ ăn mòn và sự hình thành lớp màng cáu cặn trong đường ống nước bằng thép. Cũng giống như chỉ số LSI, chỉ số RSI cũng dựa trên lý thuyết tính bão hòa CaCO3; tuy nhiên, khác với LSI, chỉ số RSI chỉ có giá trị dương (lớn hơn 0).<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA95 95]}}</ref>

Chỉ số RSI được tính theo công thức sau:<ref name="RyznarLangelier1944">{{Cite journal | title = A New Index for Determining Amount of Calcium Carbonate Scale Formed by a Water | last2 = Langelier | first2 = W. F.| last1=Ryznar | first1=J.W. | journal = Journal of the American Water Works Association | volume= 36| issue= 4| pages = 472–486 | date=April 1944| jstor=23345279 | doi = 10.1002/j.1551-8833.1944.tb20016.x }}</ref>

: RSI = 2 pHs − pH
: pHs: pH ở điều kiện bão hòa CaCO3
: pH: Giá trị đo của mẫu nước
* Nếu RSI trong khoảng 6,5 < RSI < 7, nước được xem tương đương ở trạng thái [[Cân bằng hóa học|cân bằng]] bão hòa với canxi cacbonat.
* Nếu RSI < 6, nước ở trạng thái quá bão hòa CaCO3, có xu hướng tạo thành cáu cặn. Chỉ số RSI càng thấp, khả năng tạo cáu cặn càng nhiều.<ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348" />
* Nếu RSI > 7, cặn canxi cacbonat không thể hình thành (nước ở trạng thái dưới bão hòa CaCO3). Nếu RSI > 8, có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 108">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA108 108]}}</ref> Nếu RSI > 9, có thể gây hư hỏng những cấu kiện thiết bị bằng sắt hoặc thép, như bơm, trong khoảng thời gian ngắn.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95" /><ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348">{{cite journal | last=Alsaqqar | first=Awatif S. | last2=Khudair | first2=Basim H. | last3=Ali | first3=Sura Kareem | title=Evaluating Water Stability Indices from Water Treatment Plants in Baghdad City | journal=Journal of Water Resource and Protection | publisher=Scientific Research Publishing, Inc, | volume=06 | issue=14 | year=2014 | issn=1945-3094 | doi=10.4236/jwarp.2014.614124 | page=1348}}</ref>

====Chỉ số Puckorius====
Chỉ số tạo cáu cặn Puckorius (PSI) được sử dụng nhằm định lượng mối liên hệ giữa trạng thái bão hòa và khả năng hình thành cáu cặn bằng cách ước lượng khả năng tạo [[dung dịch đệm]] (''buffering'') của nước. Nước có nồng độ canxi cao nhưng có tính kiềm và khả năng đệm thấp có thể dẫn đến việc độ bão hòa canxi cacbonat cao. Nồng độ canxi cao sẽ dẫn đến [[Phép nhân|tích số]] giữa [[ion]] và [[hoạt độ]] cao. Đồ thị của tích số ion–hoạt độ và lượng tủa rắn trong nước cho thấp nếu canxi bị kết tủa, sẽ làm độ pH tăng mạnh do tính đệm của dung dịch thấp.<ref name="Roberge 1999 p. 108" />

Chỉ số PSI được tính theo công thức gần giống với chỉ số RSI. Tuy nhiên, chỉ số Puckorius sử dụng ''pH cân bằng'' thay vì ''pH thực'' (pH đo lường) nhằm xét đến sự ảnh hưởng của tính đệm trong dung dịch:<ref name="Roberge 1999 p. 109">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA109 109]}}</ref>
: PSI = 2 pHcb − pHs
Với pHcb = 1,465 × log10[A] + 4,54.

Độ kiềm: [A] = {{chem2|[HCO3-] + 2[CO3(2-)] + [OH-]}}.
* PSI < 5,5: Nước có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* 5,5 < PSI < 6,5: Khoảng giá trị PSI tối ưu. Dung dịch ở trạng thái cân bằng.
* PSI > 6,5: Nước có xu hướng ăn mòn.<ref name="García-Ávila et al 2018 pp. 111–123">{{cite journal | last=García-Ávila | first=F.| last2=Ramos- Fernández | first2=L.| last3=Pauta | first3=D.| last4=Quezada | first4=D.| title=Evaluation of water quality and stability in the drinking water distribution network in the Azogues city, Ecuador | url=http://dspace.ucuenca.edu.ec/retrieve/91216/documento.pdf | journal=Data in Brief | publisher=Elsevier BV | volume=18 | year=2018 | issn=2352-3409 | doi=10.1016/j.dib.2018.03.007 | pages=111–123}}</ref>

====Các loại chỉ số khác====
Ngoài 3 chỉ số được nêu trên, một số loại chỉ số bão hòa khác được sử dụng như Chỉ số Larson–Skold,<ref name="Roberge 1999 p. 109" /><ref>{{cite journal |last1=Larson |first1=T.E. |last2=Skold |first2=R.V. |date=1958 |title=Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron | url=https://core.ac.uk/download/pdf/158322616.pdf |journal= |volume= |issue= |pages= |doi=10.5006/0010-9312-14.6.43 |access-date=}}</ref> Chỉ số Stiff–Davis,<ref>Stiff, Jr., H.A., Davis, L.E. (1952). A Method For Predicting The Tendency of Oil Field Water to Deposit Calcium Carbonate, Pet. Trans. AIME 195;213.</ref> và Chỉ số Oddo–Tomson.<ref>Oddo J.E. and Tomson M.B. (1992). Scale Control, Prediction and Treatment or How Companies Evaluate
a Scaling Problem and What They Do Wrong. [Corrosion 92, paper 34]. Houston, TX,
NACE International.</ref><ref name="Roberge 1999 p. 110">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA110 110]}}</ref>

==Tham khảo==
{{tham khảo|30em}}

[[Thể loại:Nước]]
[[Thể loại:Chất lỏng]]
[[Thể loại:Dạng nước]]
[[Thể loại:Đá vôi]]

Nước cứng

2021-03-03T01:16:44Z

Ltn: /* Nguyên nhân */ Sửa lỗi bản mẫu

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Hard Water Calcification.jpg|nhỏ|Vòi nước bị đóng cặn vôi gây ra do nước cứng]]
'''Nước cứng''' là loại [[nước]] chứa hàm lượng [[Khoáng vật|chất khoáng]] cao, chủ yếu là hai ion canxi (Ca2+) và magie (Mg2+).<ref name="Cotruvo 2018 p. 131">{{chú thích sách | last=Cotruvo | first=J. | title=Drinking Water Quality and Contaminants Guidebook | publisher=CRC Press | year=2018 | isbn=978-1-351-11045-7 | url=https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131] | ref=harv}}</ref> Nước cứng được hình thành khi nước ngầm thấm qua những lớp [[đá vôi]], [[đá phấn]], hoặc [[thạch cao]]<ref>{{chú thích web|url=http://wellowner.org/water-quality/ground-water-quality-basics/|title=Hard water|publisher=National Groundwater Association|access-date=28 June 2019}}</ref> mà những loại đá này vốn chứa lượng lớn ion [[canxi]] và [[magie]] ở dạng hợp chất cacbonat, hidro cacbonat, sulfat. Trong nước cứng cũng có thể chứa các ion [[sắt]]; khi bị oxi hóa, những ion này sẽ xuất hiện dưới dạng vết ố nâu đỏ trên bề mặt [[Men gốm|vật liệu tráng men]] hoặc vải sợi.<ref name="Hard water Encyclopedia Britannica">{{chú thích web | title=Hard water - Definition, Examples, & Facts | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/science/hard-water | access-date=2020-09-05 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200623050508/https://www.britannica.com/science/hard-water | archivedate=2020-06-23 |url-status=dead }}</ref> Ngoài ra, những ion kim loại khác như [[stronti]], [[nhôm]], [[bari]], [[mangan]], [[kẽm]] cũng có thể gây ra hiện tượng nước cứng, nhưng vì hàm lượng trong nước của những ion này thường rất thấp nên xem như không đáng kể.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 314">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Treatment | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-230-1 | url=https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA314 314] | ref=harv}}</ref>

Nước cứng là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp; do vậy, độ cứng của nước công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh những tổn hại cho các thiết bị sử dụng nước như [[Lò hơi công nghiệp|lò hơi]], [[tháp giải nhiệt]]. Trong hoạt động thường ngày, nước cứng thường được nhận biết thông qua hiện tượng [[Xà phòng|xà bông]] khi pha trong nước sẽ không tạo bọt hoặc sự hình thành cặn vôi trong bình nấu nước sôi.<ref name="WHO 2003 1">{{chú thích web | author=World Health Organization | title=Hardness in Drinking-water, Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality (GDWQ) | website=WHO.int | url=http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/hardness.pdf | year=2003 | ref=harv}}</ref> Khi nước cứng trở thành vấn đề nghiêm trọng, người ta cần sử dụng hệ thống làm mềm nước (khử cứng) để giảm tác hại gây ra bởi nước cứng.

== Nguyên nhân ==
[[Tập tin:Dolomite.jpg|nhỏ|Một mẫu đá khoáng [[dolomit]] (CaCO3*MgCO3)]]
Độ cứng của nước được xác định bằng nồng độ những [[Ion|cation]] [[đa hóa trị]] tồn tại trong nước. Cation đa hóa trị là những hợp chất phức kim loại có điện tích lớn hơn 1+ (nghĩa là có [[Hóa trị|hóa trị II]] trở lên). Những cation thường gặp trong nước cứng là ion Ca2+ và Mg2+. Khi nước thẩm thấu qua các lớp đá khoáng trong [[tầng ngậm nước]], những ion này sẽ hòa tan vào nước.<ref name="Water – Ullmann" /> Loại đá khoáng chứa ion canxi và magie chủ yếu là [[dolomit]] (CaMg(CO3)2).<ref name="Nichols 2013 p. 29">{{chú thích sách | last=Nichols | first=G. | title=Sedimentology and Stratigraphy | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2013 | isbn=978-1-118-68777-2 | url=https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC | page=[https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC&pg=PA29 29]}}</ref> [[Mưa|Nước mưa]] và [[nước cất]] được xem là "nước mềm" vì chứa rất ít ion kim loại.<ref name="Water – Ullmann">{{chú thích sách | last=| first=| title=Water – Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry | publisher=[[John Wiley & Sons|Wiley-VCH]] | publication-place=Weinheim, Germany | date=2000-06-15 | isbn=3-527-30673-0 | doi=10.1002/14356007.a28_001 | page=}}</ref>

Nước mưa, vốn chứa ít ion kim loại, khi rơi xuống đất sẽ trở thành [[nước mặt]], kéo theo các tạp chất như bụi bẩn, chất rắn hòa tan, huyền phù, đồng thời khí [[Cacbon điôxít|cacbon dioxit]] (CO2) có trong không khí. Khí CO2 trong các quá trình sinh học, như [[Phân hủy sinh học|phân hủy sinh vật]], sẽ tiếp tục được hấp thu vào nước mặt và các tầng nước ngầm. Cacbon dioxit khi hòa tan trong nước sẽ tạo dung dịch [[axit cacbonic]] (H2CO3). Axit cacbonic sẽ hòa tan những loại đá khoáng như dolomit (chứa [[canxi cacbonat]] và [[magie cacbonat]]) hoặc [[đá vôi]] (chứa canxi cacbonat) theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.35-36">{{chú thích sách | last=McEachern | first=R. | last2=Wist | first2=W. | last3=Lehr | first3=J.H. | title=Water Softening with Potassium Chloride: Process, Health, and Environmental Benefits | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2009 | isbn=978-0-470-52904-1 | url=https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC | page=35-36 | ref=harv}}</ref>

:H2CO3 + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO−3
:H2CO3 + MgCO3 → Mg2+ + 2HCO−3

Các quá trình hấp thụ CO2 vào nước và phản ứng hòa tan các đá khoáng cacbonat sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được dung dịch loãng chứa muối [[Bicacbonat|hidro cacbonat]] (bicacbonat) của canxi và magie. Quá trình [[cân bằng hóa học]] được thể hiện bằng phương trình tổng quát như sau (với canxi cacbonat đại diện cho độ cứng của nước):

:CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca2+ + 2HCO3-
[[Tập tin:Vodní kámen.jpg|nhỏ|Tinh thể canxi cacbonat trong cặn vôi dưới kính hiển vi]]
Phản ứng trên có tính thuận nghịch. Nước mưa chứa CO2 sẽ phản ứng với canxi cacbonat và hòa tan ion canxi vào nước, đồng thời tạo ion hidro cacbonat. Ngược lại, khi cacbon dioxit bị bay hơi khỏi dung dịch (ví dụ, do nhiệt độ tăng lên), cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về bên trái theo [[nguyên lý Le Chatelier]], tạo thành [[kết tủa]] canxi cacbonat dạng rắn, dưới dạng đá [[canxit]], [[thạch nhũ]], hoặc [[măng đá]].

=== Độ cứng tạm thời ===
{{chính|Độ cứng cacbonat}}

Độ cứng tạm thời, hay còn gọi là "độ cứng cacbonat", là độ cứng tương đương với hàm lượng cacbonat và hidro cacbonat trong nước của ion canxi và magie.<ref name="TCVN 6224 1996">{{chú thích sách | author=Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường | title=Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6224:1996 (ISO 6059: 1984 (E)) – Chất lượng nước - Xác định tổng số canxi và magie - Phương pháp chuẩn độ EDTA – Phụ lục A | publisher= | year=1996 | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-6224-1996-chat-luong-nuoc-xac-dinh-tong-so-canxi-va-magie | page=10 | ref=harv}}</ref><ref name="DeZuane 1997 p. 32">{{chú thích sách | last=DeZuane | first=J. | title=Handbook of Drinking Water Quality | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=1997 | isbn=978-0-471-28789-6 | url=https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA32 32] | ref=harv}}</ref> Nước cứng tạm thời chứa hai cation canxi và magie (Ca2+, Mg2+) cùng hai anion cacbonat và hidro cacbonat (CO32−, HCO3−). Hàm lượng cation Ca2+, Mg2+ liên quan đến độ cứng của nước. Tuy nhiên, khác với độ cứng vĩnh cửu, độ cứng tạm thời có thể được xử lý bằng phương pháp dùng nhiệt độ. Khi đun sôi nước, ion hidro cacbonat sẽ tạo thành cacbonat, phương trình cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, tạo thành canxi cacbonat kết tủa khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt trở thành "nước mềm". Phản ứng hóa học được biểu diễn như sau:<ref name="DeZuane 1997 p. 32" />
:Ca(HCO3)2 + ΔH -> CaCO3↓ + H2O + CO2↑
Với ΔH là nhiệt được cung cấp.

=== Độ cứng vĩnh cửu ===
Độ cứng vĩnh cửu, hay còn gọi là độ cứng phi cacbonat, gây ra do sự có mặt của các muối clorua và sulfat như CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4. Những muối này không kết tủa khi đun sôi nước do các ion clorua và sulfat không bị phân hủy do nhiệt như ion hidro cacbonat trong nước cứng tạm thời. Do vậy, loại độ cứng này không thể xử lý được bằng phương pháp nhiệt.<ref name="Sengupta 2013 1">{{cite journal |last1= Sengupta |first1=P. |date=2013 |title=Potential health impacts of hard water |url= |journal=International journal of preventive medicine |volume=4 |issue=8 |pages=866-875 |doi= |pmc=3775162 |pmid= 24049611 | ref=harv}}</ref> Khi một mẫu dung dịch nước được đun sôi, các ion hidro cacbonat (HCO3-) sẽ phân hủy thành CO32- và khí CO2; các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ kết hợp với CO32- tạo kết tủa. Phản ứng này sẽ dừng lại khi toàn bộ lượng ion cacbonat đã được kết tủa hết. Lượng ion Ca2+ và Mg2+ còn lại trong dung dịch chính là độ cứng vĩnh cửu.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.41 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=41-42 }}</ref> Độ cứng vĩnh cửu có thể được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, khi sử dụng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2), [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3), hoặc [[natri aluminat]] (Na2Al2O4).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 7">{{chú thích web | title=Precipitation Softening | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906003055/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | archivedate=2020-09-06 |url-status=dead }}</ref>

=== Độ cứng toàn phần ===
Độ cứng toàn phần, hay còn gọi là "độ cứng tổng", bằng tổng hàm lượng toàn bộ các ion canxi và magie có trong dung dịch, được thể hiện dưới hàm lượng tương đương của CaCO3.<ref name="TCVN 6224 1996" /><ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=42 }}</ref> Nói cách khác, độ cứng toàn phần bằng giá trị độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu cộng lại. Độ cứng tạm thời được tính dựa trên hàm lượng ion hidro cacbonat, còn độ cứng toàn phần được tính dựa trên hàm lượng ion canxi và magie. Nếu độ cứng tạm thời lớn hơn hoặc bằng độ cứng toàn phần, có thể suy ra giá trị độ cứng vĩnh cửu bằng 0 và độ cứng tạm thời chính là giá trị độ cứng của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42" />

== Ảnh hưởng ==
===Trong sinh hoạt===
[[Tập tin:Waterboiler-internal.jpg|nhỏ|Cặn vôi bên trong bình nấu nước gây ra do nước cứng|thế=|240x240px]]
Nước cứng làm giảm khả năng tạo bọt của [[xà phòng]], đồng thời làm giảm tác dụng tẩy rửa do tạo muối canxi không tan. Công thức hóa học của xà bông có chứa những hợp chất muối [[natri]] của những axit hữu cơ mạch dài, như [[natri oleat]] hoặc [[natri stearat]]. Khi sử dụng trong nước mềm, muối natri stearat hòa tan dễ dàng, ion stearat ({{Chem2|C17H35COO−}}) thể hiện hoạt tính tẩy rửa của xà phòng. Tuy nhiên, khi sử dụng trong nước cứng, ion stearat sẽ phản ứng kết hợp với ion canxi hoặc magie tạo thành hợp chất tủa không tan, [[canxi stearat]], thường được gọi là "váng bọt xà phòng" (''soap scum''). Những váng bọt này khi bám trên quần áo sẽ khó tẩy sạch, đồng thời làm giảm độ bền quần áo và vải sợi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 37">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=37 }}</ref>
:{{Chem2|C17H35COO\sNa → C17H35COO− + Na+}}
:{{Chem2|2 C17H35COO− + Ca(2+) → (C17H35COO)2Ca↓}}
Đối với các đồ dùng trong nhà bếp để đun nấu như [[Ấm nước|bình nấu nước]] hoặc [[bình nóng lạnh]], CaCO3 tạo ra khi đun sôi nước, gây cáu cặn, làm giảm khả năng [[Dẫn nhiệt|dẫn]] và [[Trao đổi nhiệt|truyền nhiệt]], tiêu hao điện năng, gây lãng phí, đồng thời nhanh làm hỏng sản phẩm.<ref name="Taggart 2014 p. 40">{{chú thích sách | last=Taggart | first=C. | title=Her Ladyship's Guide to Running One's Home | publisher=Pavilion Books | year=2014 | isbn=978-1-909881-13-6 | url=https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 | page=[https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 40]}}</ref> Dùng nước cứng để nấu ăn sẽ làm đậu, thịt khó chín, làm mất vị và màu sắc thực phẩm.<ref name="Boston College Newspapers 1890">{{chú thích web | title=The Sacred Heart Review, Volume 4, Number 19 - 4 October 1890 | website=Boston College Newspapers | date=1890-10-04 | url=https://newspapers.bc.edu/?a=d&d=BOSTONSH18901004-01.2.38 | access-date=2020-09-06}} Trích: "''Peas and beans cooked in hard water, containing lime or gypsum, will not boil tender, because these substances harden vegetable caseine. Many vegetables, as onions, boil nearly tasteless in soft water, because all the flavor is boiled out.''"</ref><ref name="Chiang 2016">{{chú thích web | last=Chiang | first=Jack C. | title=Effects of Water Hardness on Processed Quality of Carrots, Sweet Cherries, and Apricots – Master's Degree Thesis |series= All Graduate Theses and Dissertations |
website=Utah State University | date=1970 | url=https://digitalcommons.usu.edu/etd/5115 | access-date=2020-09-06 | page=[https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=6150&context=etd 29-30]}}</ref>

===Trong công nghiệp===
[[Tập tin:Limescale-in-pipe.jpg|nhỏ|Cặn vôi bám bên trong một đường ống, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt]]
Các thành phần canxi cacbonat và magie cacbonat trong nước cứng dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị nhiệt, gây tắc nghẽn, làm giảm hệ số lưu lượng trên đường ống, gây hư hỏng dẫn đến chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao.<ref name="Newcombe Dixon 2006 p. 257">{{chú thích sách | last=Newcombe | first=G. | last2=Dixon | first2=D. | title=Interface Science in Drinking Water Treatment: Theory and Applications | publisher=[[Elsevier]] | series=ISSN | year=2006 | isbn=978-0-08-053051-2 | url=https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC | page=[https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC&pg=PA257 257]}}</ref><ref name="American Water Works Association 2003 p. 125">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Quality | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-232-5 | url=https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 | page=[https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 125]}}</ref>

Nước cứng không được phép dùng trong [[Lò hơi công nghiệp|nồi hơi]] vì khi đun sôi nước cứng thì [[canxi cacbonat]] (CaCO3) và [[magie cacbonat]] (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi tạo thành một lớp cáu cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, đồng thời gây hiện tượng quá nhiệt cho kim loại, dẫn đến hư hỏng thiết bị, đường ống kim loại.<ref name="Amjad 2010 p.310">{{chú thích sách | last=Amjad | first=Z. | title=The Science and Technology of Industrial Water Treatment | publisher=CRC Press | year=2010 | isbn=978-1-4200-7145-0 | url=https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=carbonate+scale+in+boiler&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiqhofc_9TrAhWrITQIHQmoCqU4ChDoATACegQIAhAC#v=onepage&q=15.3%20scale%20and%20deposit%20control&f=false 310] | ref=harv}}</ref><ref name="Durand 2015 p. 318">{{chú thích sách | last=Durand | first=W.F. | title=Practical Marine Engineering | publisher=Europäischer Hochschulverlag | year=2015 | isbn=978-3-95427-437-6 | url=https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ&pg=PA318 318]}}</ref> Chỉ cần một lớp mỏng canxi cacbonat với độ dày 0,8{{nbsp}}mm (khoảng 1/32{{nbsp}}in) bên trong bề mặt nồi hơi sẽ làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn 5%–8% so với nồi hơi có bề mặt không bị bám cáu cặn.<ref name="Amjad 2010 p.310" />

===Đối với sức khỏe===
Vào thập niên 1970, người ta phát hiện tỉ lệ mắc [[bệnh tim mạch]] của người dân ở những vùng sử dụng nước mềm cao hơn so với tỉ lệ của những người ở khu vực sử dụng nước cứng. Nhiều nghiên cứu được thực hiện ở Hoa Kỳ, Canada, và Châu Âu, để tìm ra mối liên quan hệ giữa ảnh hưởng của nước cứng trong sinh hoạt đối với những bệnh tim mạch. Tuy những nghiên cứu này chỉ mới ở giai đoạn sơ bộ và chưa hoàn thiện, người ta đưa ra giả thiết rằng những nguyên tố như canxi, magie, [[mangan]], trong nước cứng có tác dụng ngăn ngừa nguyên nhân gây bệnh tim mạch.<ref name="DeZuane 1997 p. 34">{{harvnb | DeZuane | 1997 | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA34 34]}}</ref>

Nhiều nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng nước cứng không những không có hại cho sức khỏe con người mà ngược lại, còn có một số lợi ích nhờ vào các nguyên tố canxi và magie có trong nước cứng. Nước cứng được xem là nguồn cung cấp hai nguyên tố này cho cơ thể con người.<ref name="Sengupta 2013 5">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Hard water has no known adverse health effect, WHO says at its Geneva Conference. In addition, hard water, particularly very hard water, could provide an important supplementary contribution to total calcium and magnesium intake. The health effects of hard water are mainly due to the effects of the salts dissolved in it, primarily calcium and magnesium.''"</ref> Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), canxi và magie là những nguyên tố thiết yếu và có lợi ích đối với con người. Việc thiếu hụt những nguyên tố này trong khẩu phần dinh dưỡng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe.<ref name="WHO 2003 p.2">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=2}}</ref> Ví dụ, việc thiếu hụt hấp thu canxi sẽ dễ dẫn đến các bệnh như [[ung thư dạ dày]]<ref name="Sengupta 2013 2">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Some studies suggest there was a significant protective effect of calcium intake from drinking water on the risk of gastric cancer.''"</ref>, [[loãng xương]], [[sỏi thận]], [[Ung thư đại trực tràng|ung thư đại tràng]], [[cao huyết áp]], [[Tai biến mạch máu não|đột quỵ]], [[bệnh động mạch vành]]...<ref name="WHO 2003 p.3">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=3}}</ref> Nguyên tố magie là loại cation nhiều thứ tư trong cơ thể con người và nhiều thứ hai trong các [[Nội bào|dịch nội bào]].<ref name="WHO 2003 p.4">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=4}}</ref> Nguyên tố magie được cho là yếu tố có lợi chính trong nước cứng.<ref name="Cotruvo 2018">{{harvnb|Cotruvo | 2018 | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131]}} Trích: "(...) ''If there is a benefit, it is associated specifically with the magnesium content the hardness per se.''"</ref> Việc thiếu hụt magie sẽ dễ dẫn đến các bệnh như cao huyết áp, bệnh động mạch vành, giảm hấp thụ [[insulin]]<ref name="WHO 2003 p.4" />, [[tiểu đường]], [[ung thư thực quản]], [[ung thư buồng trứng]]<ref name="Sengupta 2013 3">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''One of the strongest epidemiological evidences of significant protective effect of magnesium intake from the drinking water was that gave for the risk for esophageal cancer and ovarian cancer.''" "''Hypomagnesaemia is a common feature in subjects with type-2 diabetes'' (...) ''Recent evidence suggests that sub-clinical magnesium deficiency may precipitate a diabetic state.''"</ref>. Một số nghiên cứu khuyến cáo nồng độ tối ưu trong nước uống của nguyên tố canxi là 40–80 [[Phần triệu|ppm]] và magie là 20–30 ppm; còn độ cứng toàn phần trong nước tối ưu là 2–4 mmol/L (tương đương 200–400{{nbsp}}ppm).<ref name="Koz">František Kožíšek [http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf Health significance of drinking water calcium and magnesium] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130418115258/http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf |date=2013-04-18 }}, 2003</ref>

==Phương pháp làm mềm nước==
Có nhiều phương pháp làm mềm nước cứng (khử cứng); một số phương pháp phổ biến trong công nghiệp và dân dụng là:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA43 43] }}</ref>
*Trao đổi ion (''Ion exchange'')
*Khử muối khoáng (''Demineralization'')
*Kết tủa (''Precipitation'')
*Thẩm thấu ngược (''Reverse osmosis'')
*Chưng cất (''Distillation'')
Bốn phương pháp — khử khoáng, thẩm thấu ngược, chưng cất, kết tủa — làm giảm độ cứng của nước bằng cách loại bỏ chất khoáng rắn khỏi nước. Lượng [[tổng chất rắn hòa tan]] (TDS) trong nước được giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp trao đổi ion giảm độ cứng bằng cách loại bỏ các ion gây độ cứng là canxi–magie và thay thế bằng các ion đơn hóa trị như natri, kali. Trong phương pháp trao đổi ion, lượng tổng chất rắn hòa tan của dung dịch không thay đổi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43" />

===Trao đổi ion===
{{Chính|Trao đổi ion}}
Trong phương pháp làm mềm nước cứng bằng công nghệ [[trao đổi ion]], nước cần xử lý được đi qua một thiết bị chứa những hạt nhựa trao đổi ion. Những hạt nhựa này được làm từ một loại [[polyme]] có chứa những nhóm chức mang điện tích âm. Những nhóm chức liên kết yếu với những ion trái dấu (mang điện tích dương) để đảm bảo trung hòa điện tích. Khi tiếp xúc với dung dịch, những ion trái dấu này (cation) dễ dàng tách ra khỏi polyme, di chuyển vào dung dịch, đồng thời ''trao đổi'' với những cation khác có sẵn trong dung dịch và liên kết với các nhóm thế của polyme. Trong các thiết bị làm mềm nước dân dụng, polyme trong hạt nhựa trao đổi ion có chứa nhóm chức {{Chem2|\sSO3-}}. Cation trong polyme là natri (Na+) sẽ ''trao đổi'' với cation canxi (Ca2+) trong nước cứng theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44" />

:{{Chem2|2 R\sSO3-\sNa+ + Ca(2+) <-> (R\sSO3-)2Ca + 2 Na+}}
Với R là công thức rút gọn của mạch polyme.

Nước cứng sau khi đi qua lớp hạt trao đổi ion sẽ giảm nồng độ Ca2+ và Mg2+, đồng thời chứa ion Na+ trong dung dịch. Khi những hạt nhựa trở nên bão hòa canxi và magie, tức không thể trao đổi thêm ion, nước cứng đi qua thiết bị trao đổi ion sẽ không thể được làm mềm nữa. Lúc này, thiết bị trao đổi ion cần được hoàn nguyên bằng cách bơm dung dịch muối [[natri clorua]] (NaCl) nồng độ 10% vào thiết bị.<ref name="Betz 1980 p.52">{{chú thích sách |author=Betz Laboratories Inc. | title=Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition | publisher=Betz | year=1980 | url=https://books.google.ca/books?id=5RpSAAAAMAAJ | archiveurl=https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/mode/1up | archivedate=2012-06-20 | page=[https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/page/52/mode/1up 52] | ref=harv}}</ref> Nồng độ natri cao trong dung dịch hoàn nguyên sẽ để dịch chuyển phản ứng trao đổi ion về bên trái, hạt nhựa sẽ mất cation Ca2+ và liên kết lại với cation Na+.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA44 44] }}</ref>

[[Tập tin:Ion exchange resin beads.jpg|thumb|Hạt nhựa trao đổi ion [[zeolit]]]]
Có 4 loại hạt nhựa trao đổi ion cơ bản là cation axit mạnh (SAC), cation axit yếu (WAC), anion bazo mạnh (SBA), và anion bazo yếu (WBA).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8">{{chú thích web | title=Chapter 08- Ion Exchange, Water Demineralization & Resin Testing | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906213729/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Trong đó, phương pháp [[natri]] [[zeolit]], sử dụng loại hạt nhựa cation axit mạnh (SAC), là phương pháp làm mềm nước trao đổi ion phổ biến nhất.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /> Zeolit được chia thành ba loại sản phẩm chính: zeolite đá xanh (''greensand'' – dùng cho nước có độ cứng tương đối thấp), zeolite cacbon (dùng cho độ cứng trung bình), và zeolite nhựa [[styren]] (dùng cho độ cứng cao).<ref name="Applebaum 2013 p. 43">{{chú thích sách | last=Applebaum | first=S.B. | title=Demineralization by Ion Exchange: In Water Treatment and Chemical Processing of Other Liquids | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-1-4832-5842-3 | url=https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ&pg=PA43 43]}}</ref> Phản ứng hóa học của cột trao đổi ion zeolit như sau:

:{{Chem2|Na2Z + Ca(2+) <-> CaZ + 2 Na+}}
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Ưu điểm của phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion là thiết bị vận hành đơn giản, hiệu quả, chi phí đầu tư quy trình vận hành tự động hoặc bán tự động thấp. Ngoài ra, nước muối NaCl dùng để hoàn nguyên cũng rẻ tiền và an toàn khi sử dụng. Hệ thống trao đổi ion có thể hoạt động hiệu quả ở nhiều loại kích cỡ thiết bị từ nhỏ đến lớn, nên hệ thống này phù hợp cho nhiều ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ xử lý được độ cứng nhưng không xử lý được chất rắn hòa tan, [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]], và silica (SiO2) trong nước. Thiết bị làm mềm nước natri zeolit không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống làm mềm nước vôi–sođa (phương pháp kết tủa). Ngoài ra, phương pháp trao đổi ion không hiệu quả với loại nước có [[độ đục]] cao. Nếu nước đầu vào có độ đục cao, cần sử dụng hệ thống tách–lọc trước khi đưa vào thiết bị làm mềm nước. Hạt nhựa trao đổi ion cũng dễ bị ảnh hưởng bởi [[kim loại nặng]] và những [[chất oxy hóa]] mạnh như [[clo]]. Những chất này cần được xử lý bằng [[natri sunfit]] hoặc đi qua bộ lọc [[than hoạt tính]] trước khi làm mềm bằng cột trao đổi ion.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

===Khử muối khoáng===
Trong một số quy trình và thiết bị đặc biệt như nồi hơi áp suất cao hoặc sản xuất thiết bị điện tử, việc làm mềm nước cứng không chỉ loại bỏ các ion độ cứng (Ca2+, Mg2+), mà còn yêu cầu phải loại bỏ toàn bộ chất rắn hòa tan từ các ion khác như {{Chem2|Na+, SiO2, Cl-, SO4(2-), NO3(-)}}. Do vậy, cần dùng đến phương pháp khử muối khoáng.

Phương pháp khử muối khoáng, hay còn gọi là phương pháp khử ion (''deionization''), về bản chất là một phương pháp trao đổi ion nhằm loại bỏ toàn bộ muối vô cơ khỏi dung dịch nước. Trong phương pháp này, hai thiết bị trao đổi ion được đặt và hoạt động nối tiếp nhau. Thiết bị đầu tiên được gọi là cột trao đổi cation. Trong thiết bị này, các ion canxi, magie, natri... sẽ được trao đổi với ion hidro (H+). Dung dịch trước lọc khi đi qua cột trao đổi cation sẽ được chuyển hóa thành axit dưới dạng axit sunfuric, axit hidroclorua, cacbon dioxit. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:{{Chem2|CaSO4 + H2Z -> CaZ + H2SO4}}
:{{Chem2|Ca(HCO3)2 + H2Z -> CaZ + 2 H2O + 2 CO2}}
:{{Chem2|2 NaCl + H2Z -> Na2Z + HCl}}
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Dung dịch sau lọc là dung dịch có tính axit, được di chuyển tiếp qua thiết bị thứ hai, được gọi là cột trao đổi anion. Tại đây, các anion gốc axit như {{Chem2|SO4(2-), Cl-, NO3-}} sẽ được trao đổi với ion hydroxit (OH-). Dung dịch sau lọc của cột trao đổi anion sẽ là dung dịch nước không chứa ion. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:{{Chem2|H2SO4 + Z(OH)2 -> ZSO4 + 2 H2O}}
:{{Chem2|2 HCl + Z(OH)2 -> ZCl2 + 2 H2O}}

Khi vật liệu trao đổi ion trong các thiết bị khử muối khoáng đã bão hòa và giảm hẳn hiệu quả, chúng có thể được hoàn nguyên tương tự như cột trao đổi ion natri zeolit, chỉ khác là thay vì sử dụng nước muối thì người ta dùng dung dịch axit và bazo loãng làm dung dịch hoàn nguyên. Đối với cột trao đổi cation, hạt nhựa zeolit được bơm dung dịch {{Chem2|H2SO4}} hoặc HCl loãng (nồng độ ban đầu là 2%, tăng dần đến khoảng 6%–8%). Cột trao đổi anion được hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH loãng (nồng độ khoảng 4%).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

Ưu điểm của phương pháp khử muối khoáng là dung dịch sau khi lọc sẽ hoàn toàn loại bỏ các ion, nên được gọi là "nước khử ion" (''deionized water'').<ref name="Dyer 2013">{{chú thích sách | last=Dyer | first=A. | title=Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering | chapter=Ion Exchange | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-0-12-409547-2 | doi=10.1016/b978-0-12-409547-2.04402-4 | page=}}</ref> Tuy nhiên, do sử dụng các dung dịch axit và bazo như {{Chem2|H2SO4}}, HCl, NaOH, KOH để hoàn nguyên, dễ gây nguy hiểm cho người vận hành. Ngoài ra, hạt zeolit sử dụng trong thiết bị rất đắt tiền khi cần thay thế. Do vậy, phương pháp này thường chỉ áp dụng cho những hệ thống công nghiệp lớn.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 47">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA47 47]}}</ref>

=== Kết tủa ===
{{Chính|Làm mềm nước bằng vôi–sođa}}
Phương pháp kết tủa, hay còn gọi là "phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa", là một trong hai phương pháp làm mềm nước phổ biến nhất.<ref name="Spellman 2008 p. 437">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations, Second Edition | publisher=Taylor & Francis | year=2008 | isbn=978-1-4200-7530-4 | url=https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC | page=[https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC&pg=PA437 437]}}</ref> Phương pháp này loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở [[tính tan]] thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 bằng cách dùng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2) và [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3). Sau đó, các hợp chất kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 vừa tạo kết tụ tạo thành bông cặn, sau đó được tách ra khỏi nước bằng các biện pháp kết bông, lắng, lọc.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA318 318]}}</ref>

Trong phương pháp làm mềm nước kết tủa, [[PH|độ pH]] cần được điều chỉnh để dung dịch có tính [[Bazơ|kiềm]] để hỗ trợ phản ứng tạo kết tủa (tối thiểu pH 9,4 đối với Ca2+ và pH 10,6 đối với Mg2+). Do vậy, vôi tôi (Ca(OH)2) được sử dụng để tăng pH cho dung dịch.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

Đối với độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời), Ca(OH)2 được cho vào nước. Ca(OH)2 phản ứng với các ion độ cứng theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ {{chem2|HCO3-}} thành {{chem2|CO3(2-)}} và tạo thành hợp chất CaCO3 ít tan. Các phản ứng xảy ra trong quá trình làm mềm nước cứng bao gồm:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />
:{{Chem2|H2O + CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + 2 H2O}}
:{{Chem2|Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + 2 H2O}}
:{{Chem2|Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2 H2O}}

Đối với độ cứng phi cacbonat (độ cứng vĩnh cửu), sođa và vôi cùng được thêm vào nước để tạo kết tủa theo các phản ứng sau:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /><ref name="American Water Works Association 2003 p. 322">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA322 322]}}</ref>
:{{Chem2|CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + Na2SO4}}
:{{Chem2|CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + 2 NaCl}}
:{{Chem2|MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 -> Mg(OH)2↓ + CaCO3↓ + 2 NaSO4}}
:{{Chem2|MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2↓ + CaCl2}}

Phương pháp khử cứng bằng vôi–sođa chia thành ba loại chính: phương pháp lạnh, ấm, và nóng. Với phương pháp vôi–sođa lạnh, những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ thường. Với phương pháp vôi–sođa ấm, nhiệt độ của những phản ứng hóa học khoảng 50–60 °C. Đối với phương pháp vôi–sođa nóng, nhiệt độ nước từ 105 °C đến 115 °C. Khi đó, phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, chất tủa rắn cũng dễ được loại bỏ nhờ quá trình lọc, do vậy phương pháp nóng là loại phổ biến nhất. Ngoài ra, phương pháp vôi–sođa nóng cũng dễ dàng loại bỏ [[silic oxit]] trong nước vì silic oxit sẽ bám vào Mg(OH)2 kết tủa vừa được tạo thành; điều này không thực hiện được đối với phương pháp lạnh và ấm.<ref name="Amjad 2010 p.263">{{harvnb | Amjad | 2010 | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&pg=PA263 263]}}</ref><ref name="Kucera 2015 p. 202">{{chú thích sách | last=Kucera | first=J. | title=Reverse Osmosis: Industrial Processes and Applications | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2015 | isbn=978-1-119-14576-9 | url=https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ&pg=PA202 202]}}</ref>

Phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa có một số nhược điểm nhất định. Do chất tủa có tính tan yếu, nên dung dịch sau khi được làm mềm vẫn chứa một lượng nhỏ độ cứng – khoảng 50–85{{nbsp}}mg/L CaCO3.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318" /> Phương pháp này cũng tạo ra lượng cặn bùn lớn cần có quy trình xử lý chặt chẽ, đồng thời pH cũng cần theo dõi và điều chỉnh liên tục, vì nếu không sẽ gây ra những vấn đề trong hệ thống xử lý.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

=== Thẩm thấu ngược ===
{{Chính|Thẩm thấu ngược}}
[[Tập tin:Reverse osmosis.png|thumb|Nguyên lý hoạt động của quá trình thẩm thấu ngược]]
Hiện tượng [[thẩm thấu]] là quá trình di chuyển của dung dịch qua một lớp màng bán thấm; chiều của dung dịch sẽ đi từ nơi có nồng độ thấp ([[nhược trương]]) đến nơi có nồng độ cao ([[ưu trương]]). Dòng dịch chuyển này sẽ dừng lại khi nồng độ hai bên màng bán thấm cân bằng với nhau hoặc khi [[áp suất thẩm thấu]] ngăn sự di chuyển của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA48 48]}}</ref>

Hiện tượng ''thẩm thấu ngược'' là khi sử dụng một áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất thẩm thấu, làm dung dịch đi xuyên qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp.<ref name="Spellman 2015 p. 290">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Reverse Osmosis: A Guide for the Nonengineering Professional | publisher=CRC Press | year=2015 | isbn=978-1-4987-2753-2 | url=https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ&pg=PA290 290]}}</ref> Do vậy, màng bán thấm chỉ cho phân tử nước đi qua và giữ lại những ion muối. Thiết bị thẩm thấu ngược có thể loại bỏ những thành phần vật chất lớn hơn 0,0005{{nbsp}}μm, bao gồm những ion muối khoáng hòa tan như Cl-, {{chem2|SO4(2-)}}, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, cũng như các tạp chất khác như cặn, vi khuẩn, virus, [[flo]], [[amiăng]], các kim loại nặng. Hệ thống thẩm thấu ngược còn được gọi là hệ thống lọc RO (''Reverse Osmosis''), lọc tinh, lọc nano (''ultrafiltration'', ''nanofiltration'').<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48" />

=== Chưng cất ===
{{Chính|Chưng cất}}
Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt năng để đun sôi nước đến điểm sôi, tạo thành hơi nước. Hơi nước sẽ được ngưng tụ và thu hồi lại. Những chất rắn hòa tan và chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước (100{{nbsp}}°C ở áp suất khí quyển) sẽ được loại bỏ khỏi nước sau khi chưng cất. Ngoài ra, phương pháp chưng cất có thể loại bỏ vi khuẩn, virus, và các tạp chất ion như [[asen]], [[bari]], [[Cadimi|cadmi]], [[crom]], [[chì]], [[nitrat]], natri, sulfat...<ref name="CDC Home Water Treatment 2020">{{chú thích web | author=Centers for Disease Control and Prevention | title=Technical Information on Home Water Treatment Technologies - Home Water Treatment - Drinking Water - Healthy Water | website=CDC.gov | date=2020-08-04 | url=https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | access-date=2020-09-07 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200715202402/https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Phương pháp chưng cất thường được dùng để khử muối trong nước biển, xử lý nước cấp nồi hơi, cung cấp nước uống tinh khiết.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 49">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA49 49]}}</ref> Tuy nước cất có độ tinh khiết rất cao, nhưng phương pháp này có nhược điểm là chi phí vận hành cao do sử dụng nhiều năng lượng.<ref name="Holman Stone 2001 p. 175">{{chú thích sách | last=Holman | first=J.S. | last2=Stone | first2=P. | title=Chemistry | publisher=Nelson Thornes Limited | series=Nelson Science Series | year=2001 | isbn=978-0-7487-6239-2 | url=https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC | page=[https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC&pg=PA175 175]}}</ref>

==Đo lường==
===Phương pháp đo===
Độ cứng trong nước có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm hóa lý như chuẩn độ hoặc đo bằng thiết bị đo. Phương pháp đo độ cứng của nước phổ biến nhất là phương pháp chuẩn độ dùng axit etylendiamintetraaxetic (EDTA). Phương pháp chuẩn độ EDTA có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm với những thiết bị như buret hoặc với những bộ kit thí nghiệm được chuẩn bị sẵn. Khi chỉ cần đo khoảng giá trị độ cứng của nước mà không cần độ chính xác, có thể dùng giấy thử chỉ thị màu. Độ cứng cũng có thể được đo bằng phương pháp so màu khi dùng dung dịch EDTA và máy quang phổ.<ref name="US EPA">{{chú thích web | author=
United States Environmental Protection Agency | title=Method 130.1: Hardness, Total
(mg/L as CaCO3) (Colorimetric, Automated EDTA) by Spectrophotometer | website=EPA.gov | date=2015 | url=https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-08/documents/method_130-1_1971.pdf | access-date=2020-09-07}}</ref> Ngoài ra, cũng có thể dùng thiết bị có đầu điện cực chọn lọc ion khi mẫu nước chứa nhiều tạp chất và độ đục cao, dẫn đến khó thực hiện đo bằng phương pháp so màu.<ref name="Ansell 2005 pp. 540–545">{{chú thích sách | last=Ansell | first=R.O. | title=Encyclopedia of Analytical Science | chapter=ION-SELECTIVE ELECTRODES – Water Applications | publisher=[[Elsevier]] | year=2005 | isbn=978-0-12-369397-6 | doi=10.1016/b0-12-369397-7/00298-3 | pages=540–545}}</ref>

===Đơn vị===
Độ cứng toàn phần là tổng nồng độ mol của các ion Ca2+ và Mg 2+ được tính theo đơn vị mol/L hoặc mmol/L. Tuy nhiên, độ cứng của nước thường có nhiều đơn vị khác nhau, tùy theo thang đo được sử dụng, như độ cứng tổng quát (dGH), độ cứng Đức (°HD) (không còn được sử dụng nữa), độ cứng Anh (°Clark), độ cứng Pháp (°fH), độ cứng Mỹ (ppm hoặc mg{{nbsp}}CaCO3/L).<ref name="TCVN 6224 1996" />

:{| class="wikitable"
|+ Bảng quy đổi đơn vị độ cứng của nước
|-
! || 1 mmol/L || 1 ppm, mg/L || 1 °HD || 1 °e, °Clark || 1 °fH
|-
! mmol/L
| 1 || 0,009991 || 0,1783 || 0,1424 || 0,09991
|-
! ppm, mg/L (Độ cứng Mỹ)
| 100,1 || 1 || 17,85 || 14,25 ||10
|-
! °HD (Độ cứng Đức)
| 5,608 || 0,05603 || 1 || 0,7986 || 0,5603
|-
! °e, °Clark (Độ cứng Anh)
| 7,022 || 0,07016 || 1,252 || 1 || 0,7016
|-
! °fH (Độ cứng Pháp)
| 10,01 ||0,1|| 1,785 || 1,425 || 1
|}

===Phân loại===
Độ cứng của nước cứng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hòa tan trong nước, độ pH, nhiệt độ; do vậy, một thang đo rất khó mô tả chính xác độ cứng của nước. Tuy nhiên, [[Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ]] đã đưa ra thang đo so sánh và phân loại độ cứng của nước như sau:<ref name=USGS>{{chú thích web|url=http://water.usgs.gov/owq/hardness-alkalinity.html|title=USGS Water-Quality Information: Water Hardness and Alkalinity|author=USGS - U.S. Geological Survey Office of Water Quality|work=usgs.gov}}</ref>
:{| class="wikitable"
|-
! Phân loại || mg-CaCO3/L || mmol/L || °HD || ppm
|-
|Nước mềm || 0–60 || 0–0,60 || 0–3,37 || 0–60
|-
|Nước tương đối cứng || 61–120 || 0,61–1,20 || 3,38–6,74 || 61–120
|-
|Nước cứng || 121–180 || 1,21–1,80 || 6,75–10,11 || 121–180
|-
|Nước rất cứng || ≥ 181 || ≥ 1,81 || ≥ 10,12 || ≥ 181
|}

[[Nước biển]] có độ cứng toàn phần (chỉ tính dựa trên nồng độ ion Ca2+ và Mg2+) là khoảng 6.558{{nbsp}}mg/L theo CaCO3, còn [[nước ngọt]] có độ cứng toàn phần dưới 75{{nbsp}}mg/L. Những loài cá nước ngọt được khuyến nghị nên nuôi trong môi trường có độ cứng từ 20 đến 400{{nbsp}}mg/L.<ref name="Tucker 1998 p. 71">{{chú thích sách | last=Tucker | first=J.W. | title=Marine Fish Culture | publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer US]] | year=1998 | isbn=978-0-412-07151-5 | url=https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC | page=[https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC&pg=PA71 71]}}</ref> Tại Việt Nam, theo Quy chuẩn Kỹ thuật do Bộ Y tế ban hành, độ cứng tính theo CaCO3 trong nước sinh hoạt có giới hạn tối đa là 350{{nbsp}}mg/L được áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước.<ref name="QCVN 02 2009 BYT">{{chú thích sách | author=Cục Y tế dự phòng và Môi trường – Bộ Y tế | title=QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt | publisher= | year=2009 | url=https://www.eurofins.vn/media/311692/qcvn-02-n%C6%B0%E1%BB%9Bc-sinh-ho%E1%BA%A1t.pdf | page=3 }}</ref>

=== Các loại chỉ số ===
====Chỉ số bão hòa Langelier====
Chỉ số bão hòa Langelier (LSI) được xem là chỉ số thường gặp nhất trong các chỉ số bão hòa canxi cacbonat, được dùng để xác định khả năng hình thành cáu cặn của nước.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333">{{chú thích sách|editor1-first=N.E. |editor1-last=McTigue |editor2-first=J.M.|editor2-last= Symons|title=The Water Dictionary: A Comprehensive Reference of Water Terminology|url=https://books.google.ca/books?id=4zZuvPDvUAwC | year=2011| publisher=American Water Works Association| isbn=978-1-61300-101-1|pages=[https://books.google.com/books?id=4zZuvPDvUAwC&pg=PA333 333] | ref=harv}}</ref><ref name="Reid 2003 p.66">{{chú thích sách|last=Reid|first=Robert N. |title=Water Quality Systems: Guide For Facility Managers|url=https://books.google.ca/books?id=dR9iNIqcaa4C | year=2003| publisher=CRC Press| isbn=978-0-8247-4010-8| pages=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 66] | ref=harv}}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1936, bởi Giáo sư [[Đại học California]], W. F. Langelier.<ref>{{cite journal |last= DeMartini |first=F. |year=1938 |month= |title=CORROSION AND THE LANGELIER CALCIUM CARBONATE SATURATION INDEX | journal=Journal (American Water Works Association) |volume=30 |issue=1 |pages=85–111 |jstor=41231947 |url=http://www.jstor.org/stable/41231947 |accessdate=2020-09-22 |quote= }}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier dựa trên ảnh hưởng của [[PH|độ pH]] đối với [[Độ hòa tan|độ tan]] của canxi cacbonat trong nước, theo những phương trình cân bằng sau:<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 91">{{chú thích sách | last=Borch | first=M.A. | last2=Smith | first2=S.A. | last3=Noble | first3=L.N. | title=Evaluation and Restoration of Water Supply Wells | publisher=AWWA Research Foundation and American Water Works Association | series=Subject Area: Water Resources | year=1993 | isbn=978-0-89867-659-4 | url=https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 | page=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 91] | ref=harv}}</ref><ref name="Roberge 1999 p. 106">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | title=Handbook of Corrosion Engineering | publisher=Mcgraw-hill | series=McGraw-Hill handbooks | year=1999 | isbn=978-0-07-076516-0 | url=https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC | page=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA106 106] | ref=harv}}</ref>
:{{Chem2|H2CO3 <-> HCO3- + H+}}
:{{Chem2|HCO3- <-> CO3(2-) + H+}}

Chỉ số bão hòa Langelier được xác định bằng hiệu số giữa độ pH đo được của nước (pHa) và độ pH khi bão hòa CaCO3 (pHs), với điều kiện độ cứng và [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]] không đổi trong hai trường hợp. Công thức xác định chỉ số bão hòa Langelier được biểu diễn như sau:<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" />
:LSI = pHa − pHs

* Nếu LSI > 0, nước có xu hướng hình thành cáu cặn do quá bão hòa CaCO3.
* Nếu LSI < 0, nước có xu hướng hòa tan CaCO3 có trong nước; do vậy, không có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* Nếu LSI = 0, trong nước tồn tại trạng thái cân bằng của CaCO3, tuy nhiên, những yếu tố như tính chất nước, nhiệt độ, sự bay hơi, đều có thể thay đổi trạng thái cân bằng và chỉ số LSI.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" /><ref name="Roberge Revie 2007 p.373">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | last2=Revie | first2=R.W. | title=Corrosion Inspection and Monitoring | publisher=Wiley | series=Wiley Series in Corrosion | year=2007 | isbn=978-0-470-09975-9 | url=https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC | page=[https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC&dq=Langelier+saturation+index+lsi&q=Langelier+saturation+index+lsi#v=snippet&q=Langelier%20saturation%20index%20lsi&f=false 373] | ref=harv}}</ref>

Độ pH bão hòa CaCO3 (pHs) được tính theo công thức sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.373" />
:pHs = (9,3 + A + B) – (C + D)
Trong đó:
:A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}}
:B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55
:C = log10 [Ca2+] − 0,4
:D = log10 [ACaCO3]

:''Ghi chú'':
:: [TDS]: [[Tổng chất rắn hòa tan]] (mg/L)
:: [Ca2+]: Nồng độ Ca2+ tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)
:: [ACaCO3]: [[Độ kiềm của nước|Độ kiềm]] tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)

Giả sử một mẫu nước có kết quả phân tích hóa lý như sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.374">{{harvnb | Roberge | Revie | 2007 | p=374}}</ref>
:: Nhiệt độ = 25 °C
:: pH = 7,5
:: TDS = 320 mg/L
:: Canxi = 150 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3
:: Độ kiềm A = 34 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3

: Công thức tính chỉ số bão hòa LSI:
:: LSI = pHa − pHs
:: pHs = (9,3 + A + B) − (C + D) với:
:: A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}} = 0,15
:: B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55 = 2,09 (ở điều kiện nhiệt độ 25 °C)
:: C = log10[Ca2+] – 0,4 = 1,78
:: D = log10[ACaCO3] = 1,53
:: pHs = (9,3 + 0,15 + 2,09) – (1,78 + 1,53) = 8,23
:: LSI = 7,5 – 8,23 = −0,73
: Chỉ số bão hòa LSI nhỏ hơn 0; do vậy, mẫu nước không có xu hướng tạo thành cáu cặn.

Một số nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra mối liên hệ giữa chỉ số bão hòa Langelier và sự [[Ăn mòn|ăn mòn kim loại]]. Khi chỉ số LSI lớn hơn 0, cáu cặn có thể được hình thành, giúp tạo lớp bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Khi LSI nhỏ hơn 0, lớp cáu cặn không thể hình thành, dẫn đến kim loại có thể bị tấn công bởi tác động ăn mòn của môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ số LSI nhằm dự báo độ ăn mòn vẫn gây tranh cãi.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA94 94]}}</ref> Theo P.R. Roberge (1999), chỉ số LSI không được dùng làm chỉ số xác định khả năng ăn mòn đối với thép hoặc những kim loại khác dùng trong ngành xây dựng. Chỉ số LSI chỉ thể hiện độ ổn định của cáu cặn canxi cacbonat có sẵn trong môi trường nước hoặc những cấu trúc chứa canxi cacbonat khác. Chỉ số LSI và các chỉ số bão hòa khác không đảm bảo tính chất ngăn ngừa ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 107">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA107 107]}}</ref> Theo một số nghiên cứu, chỉ số bão hòa LSI chỉ được dùng để dự đoán khả năng xảy ra hiện tượng ăn mòn trong môi trường nước có khoảng pH từ 6,5 đến 9,5.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94" />

====Chỉ số Ryznar====
Chỉ số ổn định Ryznar (RSI)<ref name="McTigue Symons 2011 p.525">{{harvnb|McTigue|Symons|2011|p=525}}</ref>, hay còn gọi chỉ số bão hòa Ryznar, dựa trên dữ liệu đo lường độ dày lớp cáu cặn trong hệ thống cấp nước đô thị để dự đoán ảnh hưởng tính chất hóa học của nước.<ref name="Reid 2003 p.72">{{harvnb|Reid|2003|p=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 72]}}</ref> Chỉ số RSI được xây dựng dựa trên những quan sát thực nghiệm của tốc độ ăn mòn và sự hình thành lớp màng cáu cặn trong đường ống nước bằng thép. Cũng giống như chỉ số LSI, chỉ số RSI cũng dựa trên lý thuyết tính bão hòa CaCO3; tuy nhiên, khác với LSI, chỉ số RSI chỉ có giá trị dương (lớn hơn 0).<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA95 95]}}</ref>

Chỉ số RSI được tính theo công thức sau:<ref name="RyznarLangelier1944">{{Cite journal | title = A New Index for Determining Amount of Calcium Carbonate Scale Formed by a Water | last2 = Langelier | first2 = W. F.| last1=Ryznar | first1=J.W. | journal = Journal of the American Water Works Association | volume= 36| issue= 4| pages = 472–486 | date=April 1944| jstor=23345279 | doi = 10.1002/j.1551-8833.1944.tb20016.x }}</ref>

: RSI = 2 pHs − pH
: pHs: pH ở điều kiện bão hòa CaCO3
: pH: Giá trị đo của mẫu nước
* Nếu RSI trong khoảng 6,5 < RSI < 7, nước được xem tương đương ở trạng thái [[Cân bằng hóa học|cân bằng]] bão hòa với canxi cacbonat.
* Nếu RSI < 6, nước ở trạng thái quá bão hòa CaCO3, có xu hướng tạo thành cáu cặn. Chỉ số RSI càng thấp, khả năng tạo cáu cặn càng nhiều.<ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348" />
* Nếu RSI > 7, cặn canxi cacbonat không thể hình thành (nước ở trạng thái dưới bão hòa CaCO3). Nếu RSI > 8, có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 108">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA108 108]}}</ref> Nếu RSI > 9, có thể gây hư hỏng những cấu kiện thiết bị bằng sắt hoặc thép, như bơm, trong khoảng thời gian ngắn.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95" /><ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348">{{cite journal | last=Alsaqqar | first=Awatif S. | last2=Khudair | first2=Basim H. | last3=Ali | first3=Sura Kareem | title=Evaluating Water Stability Indices from Water Treatment Plants in Baghdad City | journal=Journal of Water Resource and Protection | publisher=Scientific Research Publishing, Inc, | volume=06 | issue=14 | year=2014 | issn=1945-3094 | doi=10.4236/jwarp.2014.614124 | page=1348}}</ref>

====Chỉ số Puckorius====
Chỉ số tạo cáu cặn Puckorius (PSI) được sử dụng nhằm định lượng mối liên hệ giữa trạng thái bão hòa và khả năng hình thành cáu cặn bằng cách ước lượng khả năng tạo [[dung dịch đệm]] (''buffering'') của nước. Nước có nồng độ canxi cao nhưng có tính kiềm và khả năng đệm thấp có thể dẫn đến việc độ bão hòa canxi cacbonat cao. Nồng độ canxi cao sẽ dẫn đến [[Phép nhân|tích số]] giữa [[ion]] và [[hoạt độ]] cao. Đồ thị của tích số ion–hoạt độ và lượng tủa rắn trong nước cho thấp nếu canxi bị kết tủa, sẽ làm độ pH tăng mạnh do tính đệm của dung dịch thấp.<ref name="Roberge 1999 p. 108" />

Chỉ số PSI được tính theo công thức gần giống với chỉ số RSI. Tuy nhiên, chỉ số Puckorius sử dụng ''pH cân bằng'' thay vì ''pH thực'' (pH đo lường) nhằm xét đến sự ảnh hưởng của tính đệm trong dung dịch:<ref name="Roberge 1999 p. 109">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA109 109]}}</ref>
: PSI = 2 pHcb − pHs
Với pHcb = 1,465 × log10[A] + 4,54.

Độ kiềm: [A] = {{chem2|[HCO3-] + 2[CO3(2-)] + [OH-]}}.
* PSI < 5,5: Nước có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* 5,5 < PSI < 6,5: Khoảng giá trị PSI tối ưu. Dung dịch ở trạng thái cân bằng.
* PSI > 6,5: Nước có xu hướng ăn mòn.<ref name="García-Ávila et al 2018 pp. 111–123">{{cite journal | last=García-Ávila | first=F.| last2=Ramos- Fernández | first2=L.| last3=Pauta | first3=D.| last4=Quezada | first4=D.| title=Evaluation of water quality and stability in the drinking water distribution network in the Azogues city, Ecuador | url=http://dspace.ucuenca.edu.ec/retrieve/91216/documento.pdf | journal=Data in Brief | publisher=Elsevier BV | volume=18 | year=2018 | issn=2352-3409 | doi=10.1016/j.dib.2018.03.007 | pages=111–123}}</ref>

====Các loại chỉ số khác====
Ngoài 3 chỉ số được nêu trên, một số loại chỉ số bão hòa khác được sử dụng như Chỉ số Larson–Skold,<ref name="Roberge 1999 p. 109" /><ref>{{cite journal |last1=Larson |first1=T.E. |last2=Skold |first2=R.V. |date=1958 |title=Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron | url=https://core.ac.uk/download/pdf/158322616.pdf |journal= |volume= |issue= |pages= |doi=10.5006/0010-9312-14.6.43 |access-date=}}</ref> Chỉ số Stiff–Davis,<ref>Stiff, Jr., H.A., Davis, L.E. (1952). A Method For Predicting The Tendency of Oil Field Water to Deposit Calcium Carbonate, Pet. Trans. AIME 195;213.</ref> và Chỉ số Oddo–Tomson.<ref>Oddo J.E. and Tomson M.B. (1992). Scale Control, Prediction and Treatment or How Companies Evaluate
a Scaling Problem and What They Do Wrong. [Corrosion 92, paper 34]. Houston, TX,
NACE International.</ref><ref name="Roberge 1999 p. 110">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA110 110]}}</ref>

==Tham khảo==
{{tham khảo|30em}}

[[Thể loại:Nước]]
[[Thể loại:Chất lỏng]]
[[Thể loại:Dạng nước]]
[[Thể loại:Đá vôi]]

Nước cứng

2021-03-03T01:08:43Z

Ltn: Tạo trang mới với nội dung “{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">Thể loại:Mục từ cần bình duyệt</div> <center>File:UnderCon icon.svg|fram…”

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Hard Water Calcification.jpg|nhỏ|Vòi nước bị đóng cặn vôi gây ra do nước cứng]]
'''Nước cứng''' là loại [[nước]] chứa hàm lượng [[Khoáng vật|chất khoáng]] cao, chủ yếu là hai ion canxi (Ca2+) và magie (Mg2+).<ref name="Cotruvo 2018 p. 131">{{chú thích sách | last=Cotruvo | first=J. | title=Drinking Water Quality and Contaminants Guidebook | publisher=CRC Press | year=2018 | isbn=978-1-351-11045-7 | url=https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131] | ref=harv}}</ref> Nước cứng được hình thành khi nước ngầm thấm qua những lớp [[đá vôi]], [[đá phấn]], hoặc [[thạch cao]]<ref>{{chú thích web|url=http://wellowner.org/water-quality/ground-water-quality-basics/|title=Hard water|publisher=National Groundwater Association|access-date=28 June 2019}}</ref> mà những loại đá này vốn chứa lượng lớn ion [[canxi]] và [[magie]] ở dạng hợp chất cacbonat, hidro cacbonat, sulfat. Trong nước cứng cũng có thể chứa các ion [[sắt]]; khi bị oxi hóa, những ion này sẽ xuất hiện dưới dạng vết ố nâu đỏ trên bề mặt [[Men gốm|vật liệu tráng men]] hoặc vải sợi.<ref name="Hard water Encyclopedia Britannica">{{chú thích web | title=Hard water - Definition, Examples, & Facts | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/science/hard-water | access-date=2020-09-05 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200623050508/https://www.britannica.com/science/hard-water | archivedate=2020-06-23 |url-status=dead }}</ref> Ngoài ra, những ion kim loại khác như [[stronti]], [[nhôm]], [[bari]], [[mangan]], [[kẽm]] cũng có thể gây ra hiện tượng nước cứng, nhưng vì hàm lượng trong nước của những ion này thường rất thấp nên xem như không đáng kể.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 314">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Treatment | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-230-1 | url=https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA314 314] | ref=harv}}</ref>

Nước cứng là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp; do vậy, độ cứng của nước công nghiệp cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh những tổn hại cho các thiết bị sử dụng nước như [[Lò hơi công nghiệp|lò hơi]], [[tháp giải nhiệt]]. Trong hoạt động thường ngày, nước cứng thường được nhận biết thông qua hiện tượng [[Xà phòng|xà bông]] khi pha trong nước sẽ không tạo bọt hoặc sự hình thành cặn vôi trong bình nấu nước sôi.<ref name="WHO 2003 1">{{chú thích web | author=World Health Organization | title=Hardness in Drinking-water, Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality (GDWQ) | website=WHO.int | url=http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/chemicals/hardness.pdf | year=2003 | ref=harv}}</ref> Khi nước cứng trở thành vấn đề nghiêm trọng, người ta cần sử dụng hệ thống làm mềm nước (khử cứng) để giảm tác hại gây ra bởi nước cứng.

== Nguyên nhân ==
[[Tập tin:Dolomite.jpg|nhỏ|Một mẫu đá khoáng [[dolomit]] ({{Chem2|CaCO3*MgCO3}})]]
Độ cứng của nước được xác định bằng nồng độ những [[Ion|cation]] [[đa hóa trị]] tồn tại trong nước. Cation đa hóa trị là những hợp chất phức kim loại có điện tích lớn hơn 1+ (nghĩa là có [[Hóa trị|hóa trị II]] trở lên). Những cation thường gặp trong nước cứng là ion Ca2+ và Mg2+. Khi nước thẩm thấu qua các lớp đá khoáng trong [[tầng ngậm nước]], những ion này sẽ hòa tan vào nước.<ref name="Water – Ullmann" /> Loại đá khoáng chứa ion canxi và magie chủ yếu là [[dolomit]] ({{Chem2|CaMg(CO3)2}}).<ref name="Nichols 2013 p. 29">{{chú thích sách | last=Nichols | first=G. | title=Sedimentology and Stratigraphy | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2013 | isbn=978-1-118-68777-2 | url=https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC | page=[https://books.google.ca/books?id=Gcgp5oLFrZMC&pg=PA29 29]}}</ref> [[Mưa|Nước mưa]] và [[nước cất]] được xem là "nước mềm" vì chứa rất ít ion kim loại.<ref name="Water – Ullmann">{{chú thích sách | last=| first=| title=Water – Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry | publisher=[[John Wiley & Sons|Wiley-VCH]] | publication-place=Weinheim, Germany | date=2000-06-15 | isbn=3-527-30673-0 | doi=10.1002/14356007.a28_001 | page=}}</ref>

Nước mưa, vốn chứa ít ion kim loại, khi rơi xuống đất sẽ trở thành [[nước mặt]], kéo theo các tạp chất như bụi bẩn, chất rắn hòa tan, huyền phù, đồng thời khí [[Cacbon điôxít|cacbon dioxit]] (CO2) có trong không khí. Khí CO2 trong các quá trình sinh học, như [[Phân hủy sinh học|phân hủy sinh vật]], sẽ tiếp tục được hấp thu vào nước mặt và các tầng nước ngầm. Cacbon dioxit khi hòa tan trong nước sẽ tạo dung dịch [[axit cacbonic]] ({{Chem2|H2CO3}}). Axit cacbonic sẽ hòa tan những loại đá khoáng như dolomit (chứa [[canxi cacbonat]] và [[magie cacbonat]]) hoặc [[đá vôi]] (chứa canxi cacbonat) theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.35-36">{{chú thích sách | last=McEachern | first=R. | last2=Wist | first2=W. | last3=Lehr | first3=J.H. | title=Water Softening with Potassium Chloride: Process, Health, and Environmental Benefits | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2009 | isbn=978-0-470-52904-1 | url=https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC | page=35-36 | ref=harv}}</ref>

:{{chem2|H2CO3 + CaCO3 -> Ca(2+) + 2HCO3(-)}}
:{{chem2|H2CO3 + MgCO3 -> Mg(2+) + 2HCO3(-)}}

Các quá trình hấp thụ CO2 vào nước và phản ứng hòa tan các đá khoáng cacbonat sẽ tiếp tục cho đến khi đạt được dung dịch loãng chứa muối [[Bicacbonat|hidro cacbonat]] (bicacbonat) của canxi và magie. Quá trình [[cân bằng hóa học]] được thể hiện bằng phương trình tổng quát như sau (với canxi cacbonat đại diện cho độ cứng của nước):

:{{chem2|CaCO3 + CO2 + H2O <-> Ca(2+) + 2HCO3(-)}}
[[Tập tin:Vodní kámen.jpg|nhỏ|Tinh thể canxi cacbonat trong cặn vôi dưới kính hiển vi]]
Phản ứng trên có tính thuận nghịch. Nước mưa chứa CO2 sẽ phản ứng với canxi cacbonat và hòa tan ion canxi vào nước, đồng thời tạo ion hidro cacbonat. Ngược lại, khi cacbon dioxit bị bay hơi khỏi dung dịch (ví dụ, do nhiệt độ tăng lên), cân bằng hóa học sẽ dịch chuyển về bên trái theo [[nguyên lý Le Chatelier]], tạo thành [[kết tủa]] canxi cacbonat dạng rắn, dưới dạng đá [[canxit]], [[thạch nhũ]], hoặc [[măng đá]].

=== Độ cứng tạm thời ===
{{chính|Độ cứng cacbonat}}

Độ cứng tạm thời, hay còn gọi là "độ cứng cacbonat", là độ cứng tương đương với hàm lượng cacbonat và hidro cacbonat trong nước của ion canxi và magie.<ref name="TCVN 6224 1996">{{chú thích sách | author=Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường | title=Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6224:1996 (ISO 6059: 1984 (E)) – Chất lượng nước - Xác định tổng số canxi và magie - Phương pháp chuẩn độ EDTA – Phụ lục A | publisher= | year=1996 | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-6224-1996-chat-luong-nuoc-xac-dinh-tong-so-canxi-va-magie | page=10 | ref=harv}}</ref><ref name="DeZuane 1997 p. 32">{{chú thích sách | last=DeZuane | first=J. | title=Handbook of Drinking Water Quality | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=1997 | isbn=978-0-471-28789-6 | url=https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA32 32] | ref=harv}}</ref> Nước cứng tạm thời chứa hai cation canxi và magie (Ca2+, Mg2+) cùng hai anion cacbonat và hidro cacbonat ({{chem2|CO3(2−)}}, {{chem2|HCO3−}}). Hàm lượng cation Ca2+, Mg2+ liên quan đến độ cứng của nước. Tuy nhiên, khác với độ cứng vĩnh cửu, độ cứng tạm thời có thể được xử lý bằng phương pháp dùng nhiệt độ. Khi đun sôi nước, ion hidro cacbonat sẽ tạo thành cacbonat, phương trình cân bằng sẽ dịch chuyển về bên trái, tạo thành canxi cacbonat kết tủa khỏi dung dịch. Dung dịch sau khi kết thúc quá trình gia nhiệt trở thành "nước mềm". Phản ứng hóa học được biểu diễn như sau:<ref name="DeZuane 1997 p. 32" />
:{{chem2|Ca(HCO3)2 + ΔH -> CaCO3↓ + H2O + CO2↑}}
Với ΔH là nhiệt được cung cấp.

=== Độ cứng vĩnh cửu ===
Độ cứng vĩnh cửu, hay còn gọi là độ cứng phi cacbonat, gây ra do sự có mặt của các muối clorua và sulfat như CaCl2, CaSO4, MgCl2, MgSO4. Những muối này không kết tủa khi đun sôi nước do các ion clorua và sulfat không bị phân hủy do nhiệt như ion hidro cacbonat trong nước cứng tạm thời. Do vậy, loại độ cứng này không thể xử lý được bằng phương pháp nhiệt.<ref name="Sengupta 2013 1">{{cite journal |last1= Sengupta |first1=P. |date=2013 |title=Potential health impacts of hard water |url= |journal=International journal of preventive medicine |volume=4 |issue=8 |pages=866-875 |doi= |pmc=3775162 |pmid= 24049611 | ref=harv}}</ref> Khi một mẫu dung dịch nước được đun sôi, các ion hidro cacbonat ({{chem2|HCO3-}}) sẽ phân hủy thành {{chem2|CO3(2-)}} và khí CO2; các ion Ca2+ và Mg2+ sẽ kết hợp với {{chem2|CO3(2-)}} tạo kết tủa. Phản ứng này sẽ dừng lại khi toàn bộ lượng ion cacbonat đã được kết tủa hết. Lượng ion Ca2+ và Mg2+ còn lại trong dung dịch chính là độ cứng vĩnh cửu.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p.41 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=41-42 }}</ref> Độ cứng vĩnh cửu có thể được loại bỏ bằng phương pháp hóa học, khi sử dụng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] ({{Chem2|Ca(OH)2}}), [[Natri cacbonat|sođa]] ({{Chem2|Na2CO3}}), hoặc [[natri aluminat]] ({{Chem2|Na2Al2O4}}).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 7">{{chú thích web | title=Precipitation Softening | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906003055/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-07-precipitation-softening | archivedate=2020-09-06 |url-status=dead }}</ref>

=== Độ cứng toàn phần ===
Độ cứng toàn phần, hay còn gọi là "độ cứng tổng", bằng tổng hàm lượng toàn bộ các ion canxi và magie có trong dung dịch, được thể hiện dưới hàm lượng tương đương của {{Chem2|CaCO3}}.<ref name="TCVN 6224 1996" /><ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=42 }}</ref> Nói cách khác, độ cứng toàn phần bằng giá trị độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu cộng lại. Độ cứng tạm thời được tính dựa trên hàm lượng ion hidro cacbonat, còn độ cứng toàn phần được tính dựa trên hàm lượng ion canxi và magie. Nếu độ cứng tạm thời lớn hơn hoặc bằng độ cứng toàn phần, có thể suy ra giá trị độ cứng vĩnh cửu bằng 0 và độ cứng tạm thời chính là giá trị độ cứng của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 42" />

== Ảnh hưởng ==
===Trong sinh hoạt===
[[Tập tin:Waterboiler-internal.jpg|nhỏ|Cặn vôi bên trong bình nấu nước gây ra do nước cứng|thế=|240x240px]]
Nước cứng làm giảm khả năng tạo bọt của [[xà phòng]], đồng thời làm giảm tác dụng tẩy rửa do tạo muối canxi không tan. Công thức hóa học của xà bông có chứa những hợp chất muối [[natri]] của những axit hữu cơ mạch dài, như [[natri oleat]] hoặc [[natri stearat]]. Khi sử dụng trong nước mềm, muối natri stearat hòa tan dễ dàng, ion stearat ({{Chem2|C17H35COO−}}) thể hiện hoạt tính tẩy rửa của xà phòng. Tuy nhiên, khi sử dụng trong nước cứng, ion stearat sẽ phản ứng kết hợp với ion canxi hoặc magie tạo thành hợp chất tủa không tan, [[canxi stearat]], thường được gọi là "váng bọt xà phòng" (''soap scum''). Những váng bọt này khi bám trên quần áo sẽ khó tẩy sạch, đồng thời làm giảm độ bền quần áo và vải sợi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 37">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=37 }}</ref>
:{{Chem2|C17H35COO\sNa → C17H35COO− + Na+}}
:{{Chem2|2 C17H35COO− + Ca(2+) → (C17H35COO)2Ca↓}}
Đối với các đồ dùng trong nhà bếp để đun nấu như [[Ấm nước|bình nấu nước]] hoặc [[bình nóng lạnh]], CaCO3 tạo ra khi đun sôi nước, gây cáu cặn, làm giảm khả năng [[Dẫn nhiệt|dẫn]] và [[Trao đổi nhiệt|truyền nhiệt]], tiêu hao điện năng, gây lãng phí, đồng thời nhanh làm hỏng sản phẩm.<ref name="Taggart 2014 p. 40">{{chú thích sách | last=Taggart | first=C. | title=Her Ladyship's Guide to Running One's Home | publisher=Pavilion Books | year=2014 | isbn=978-1-909881-13-6 | url=https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 | page=[https://books.google.ca/books?id=sCDACAAAQBAJ&pg=PT40 40]}}</ref> Dùng nước cứng để nấu ăn sẽ làm đậu, thịt khó chín, làm mất vị và màu sắc thực phẩm.<ref name="Boston College Newspapers 1890">{{chú thích web | title=The Sacred Heart Review, Volume 4, Number 19 - 4 October 1890 | website=Boston College Newspapers | date=1890-10-04 | url=https://newspapers.bc.edu/?a=d&d=BOSTONSH18901004-01.2.38 | access-date=2020-09-06}} Trích: "''Peas and beans cooked in hard water, containing lime or gypsum, will not boil tender, because these substances harden vegetable caseine. Many vegetables, as onions, boil nearly tasteless in soft water, because all the flavor is boiled out.''"</ref><ref name="Chiang 2016">{{chú thích web | last=Chiang | first=Jack C. | title=Effects of Water Hardness on Processed Quality of Carrots, Sweet Cherries, and Apricots – Master's Degree Thesis |series= All Graduate Theses and Dissertations |
website=Utah State University | date=1970 | url=https://digitalcommons.usu.edu/etd/5115 | access-date=2020-09-06 | page=[https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=6150&context=etd 29-30]}}</ref>

===Trong công nghiệp===
[[Tập tin:Limescale-in-pipe.jpg|nhỏ|Cặn vôi bám bên trong một đường ống, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt]]
Các thành phần canxi cacbonat và magie cacbonat trong nước cứng dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị nhiệt, gây tắc nghẽn, làm giảm hệ số lưu lượng trên đường ống, gây hư hỏng dẫn đến chi phí sửa chữa hoặc thay thế cao.<ref name="Newcombe Dixon 2006 p. 257">{{chú thích sách | last=Newcombe | first=G. | last2=Dixon | first2=D. | title=Interface Science in Drinking Water Treatment: Theory and Applications | publisher=[[Elsevier]] | series=ISSN | year=2006 | isbn=978-0-08-053051-2 | url=https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC | page=[https://books.google.ca/books?id=TOdzJzdUL_YC&pg=PA257 257]}}</ref><ref name="American Water Works Association 2003 p. 125">{{chú thích sách | author=American Water Works Association | title=Water Quality | publisher=American Water Works Association | series=Principles and practices of water supply operations series | year=2003 | isbn=978-1-58321-232-5 | url=https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 | page=[https://books.google.ca/books?id=hUH0lb72K4EC&pg=PA125 125]}}</ref>

Nước cứng không được phép dùng trong [[Lò hơi công nghiệp|nồi hơi]] vì khi đun sôi nước cứng thì [[canxi cacbonat]] (CaCO3) và [[magie cacbonat]] (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi tạo thành một lớp cáu cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, đồng thời gây hiện tượng quá nhiệt cho kim loại, dẫn đến hư hỏng thiết bị, đường ống kim loại.<ref name="Amjad 2010 p.310">{{chú thích sách | last=Amjad | first=Z. | title=The Science and Technology of Industrial Water Treatment | publisher=CRC Press | year=2010 | isbn=978-1-4200-7145-0 | url=https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&printsec=frontcover&dq=carbonate+scale+in+boiler&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwiqhofc_9TrAhWrITQIHQmoCqU4ChDoATACegQIAhAC#v=onepage&q=15.3%20scale%20and%20deposit%20control&f=false 310] | ref=harv}}</ref><ref name="Durand 2015 p. 318">{{chú thích sách | last=Durand | first=W.F. | title=Practical Marine Engineering | publisher=Europäischer Hochschulverlag | year=2015 | isbn=978-3-95427-437-6 | url=https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=CyQhBgAAQBAJ&pg=PA318 318]}}</ref> Chỉ cần một lớp mỏng canxi cacbonat với độ dày 0,8{{nbsp}}mm (khoảng 1/32{{nbsp}}in) bên trong bề mặt nồi hơi sẽ làm tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn 5%–8% so với nồi hơi có bề mặt không bị bám cáu cặn.<ref name="Amjad 2010 p.310" />

===Đối với sức khỏe===
Vào thập niên 1970, người ta phát hiện tỉ lệ mắc [[bệnh tim mạch]] của người dân ở những vùng sử dụng nước mềm cao hơn so với tỉ lệ của những người ở khu vực sử dụng nước cứng. Nhiều nghiên cứu được thực hiện ở Hoa Kỳ, Canada, và Châu Âu, để tìm ra mối liên quan hệ giữa ảnh hưởng của nước cứng trong sinh hoạt đối với những bệnh tim mạch. Tuy những nghiên cứu này chỉ mới ở giai đoạn sơ bộ và chưa hoàn thiện, người ta đưa ra giả thiết rằng những nguyên tố như canxi, magie, [[mangan]], trong nước cứng có tác dụng ngăn ngừa nguyên nhân gây bệnh tim mạch.<ref name="DeZuane 1997 p. 34">{{harvnb | DeZuane | 1997 | page=[https://books.google.ca/books?id=MuOgLYYjdlQC&pg=PA34 34]}}</ref>

Nhiều nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng nước cứng không những không có hại cho sức khỏe con người mà ngược lại, còn có một số lợi ích nhờ vào các nguyên tố canxi và magie có trong nước cứng. Nước cứng được xem là nguồn cung cấp hai nguyên tố này cho cơ thể con người.<ref name="Sengupta 2013 5">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Hard water has no known adverse health effect, WHO says at its Geneva Conference. In addition, hard water, particularly very hard water, could provide an important supplementary contribution to total calcium and magnesium intake. The health effects of hard water are mainly due to the effects of the salts dissolved in it, primarily calcium and magnesium.''"</ref> Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), canxi và magie là những nguyên tố thiết yếu và có lợi ích đối với con người. Việc thiếu hụt những nguyên tố này trong khẩu phần dinh dưỡng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe.<ref name="WHO 2003 p.2">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=2}}</ref> Ví dụ, việc thiếu hụt hấp thu canxi sẽ dễ dẫn đến các bệnh như [[ung thư dạ dày]]<ref name="Sengupta 2013 2">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''Some studies suggest there was a significant protective effect of calcium intake from drinking water on the risk of gastric cancer.''"</ref>, [[loãng xương]], [[sỏi thận]], [[Ung thư đại trực tràng|ung thư đại tràng]], [[cao huyết áp]], [[Tai biến mạch máu não|đột quỵ]], [[bệnh động mạch vành]]...<ref name="WHO 2003 p.3">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=3}}</ref> Nguyên tố magie là loại cation nhiều thứ tư trong cơ thể con người và nhiều thứ hai trong các [[Nội bào|dịch nội bào]].<ref name="WHO 2003 p.4">{{harvnb| World Health Organization | 2003 | page=4}}</ref> Nguyên tố magie được cho là yếu tố có lợi chính trong nước cứng.<ref name="Cotruvo 2018">{{harvnb|Cotruvo | 2018 | page=[https://books.google.ca/books?id=QwprDwAAQBAJ&pg=PT131 131]}} Trích: "(...) ''If there is a benefit, it is associated specifically with the magnesium content the hardness per se.''"</ref> Việc thiếu hụt magie sẽ dễ dẫn đến các bệnh như cao huyết áp, bệnh động mạch vành, giảm hấp thụ [[insulin]]<ref name="WHO 2003 p.4" />, [[tiểu đường]], [[ung thư thực quản]], [[ung thư buồng trứng]]<ref name="Sengupta 2013 3">{{harvnb| Sengupta | 2013| pages=}} "''One of the strongest epidemiological evidences of significant protective effect of magnesium intake from the drinking water was that gave for the risk for esophageal cancer and ovarian cancer.''" "''Hypomagnesaemia is a common feature in subjects with type-2 diabetes'' (...) ''Recent evidence suggests that sub-clinical magnesium deficiency may precipitate a diabetic state.''"</ref>. Một số nghiên cứu khuyến cáo nồng độ tối ưu trong nước uống của nguyên tố canxi là 40–80 [[Phần triệu|ppm]] và magie là 20–30 ppm; còn độ cứng toàn phần trong nước tối ưu là 2–4 mmol/L (tương đương 200–400{{nbsp}}ppm).<ref name="Koz">František Kožíšek [http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf Health significance of drinking water calcium and magnesium] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20130418115258/http://www.aquasafecanada.com/mirror/hardness/hardness.pdf |date=2013-04-18 }}, 2003</ref>

==Phương pháp làm mềm nước==
Có nhiều phương pháp làm mềm nước cứng (khử cứng); một số phương pháp phổ biến trong công nghiệp và dân dụng là:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA43 43] }}</ref>
*Trao đổi ion (''Ion exchange'')
*Khử muối khoáng (''Demineralization'')
*Kết tủa (''Precipitation'')
*Thẩm thấu ngược (''Reverse osmosis'')
*Chưng cất (''Distillation'')
Bốn phương pháp — khử khoáng, thẩm thấu ngược, chưng cất, kết tủa — làm giảm độ cứng của nước bằng cách loại bỏ chất khoáng rắn khỏi nước. Lượng [[tổng chất rắn hòa tan]] (TDS) trong nước được giảm đáng kể hoặc thậm chí bị loại bỏ hoàn toàn. Ngược lại, phương pháp trao đổi ion giảm độ cứng bằng cách loại bỏ các ion gây độ cứng là canxi–magie và thay thế bằng các ion đơn hóa trị như natri, kali. Trong phương pháp trao đổi ion, lượng tổng chất rắn hòa tan của dung dịch không thay đổi.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 43" />

===Trao đổi ion===
{{Chính|Trao đổi ion}}
Trong phương pháp làm mềm nước cứng bằng công nghệ [[trao đổi ion]], nước cần xử lý được đi qua một thiết bị chứa những hạt nhựa trao đổi ion. Những hạt nhựa này được làm từ một loại [[polyme]] có chứa những nhóm chức mang điện tích âm. Những nhóm chức liên kết yếu với những ion trái dấu (mang điện tích dương) để đảm bảo trung hòa điện tích. Khi tiếp xúc với dung dịch, những ion trái dấu này (cation) dễ dàng tách ra khỏi polyme, di chuyển vào dung dịch, đồng thời ''trao đổi'' với những cation khác có sẵn trong dung dịch và liên kết với các nhóm thế của polyme. Trong các thiết bị làm mềm nước dân dụng, polyme trong hạt nhựa trao đổi ion có chứa nhóm chức {{Chem2|\sSO3-}}. Cation trong polyme là natri (Na+) sẽ ''trao đổi'' với cation canxi (Ca2+) trong nước cứng theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44" />

:{{Chem2|2 R\sSO3-\sNa+ + Ca(2+) <-> (R\sSO3-)2Ca + 2 Na+}}
Với R là công thức rút gọn của mạch polyme.

Nước cứng sau khi đi qua lớp hạt trao đổi ion sẽ giảm nồng độ Ca2+ và Mg2+, đồng thời chứa ion Na+ trong dung dịch. Khi những hạt nhựa trở nên bão hòa canxi và magie, tức không thể trao đổi thêm ion, nước cứng đi qua thiết bị trao đổi ion sẽ không thể được làm mềm nữa. Lúc này, thiết bị trao đổi ion cần được hoàn nguyên bằng cách bơm dung dịch muối [[natri clorua]] (NaCl) nồng độ 10% vào thiết bị.<ref name="Betz 1980 p.52">{{chú thích sách |author=Betz Laboratories Inc. | title=Betz Handbook of Industrial Water Conditioning – 8th Edition | publisher=Betz | year=1980 | url=https://books.google.ca/books?id=5RpSAAAAMAAJ | archiveurl=https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/mode/1up | archivedate=2012-06-20 | page=[https://archive.org/details/betzhandbookofin00betz/page/52/mode/1up 52] | ref=harv}}</ref> Nồng độ natri cao trong dung dịch hoàn nguyên sẽ để dịch chuyển phản ứng trao đổi ion về bên trái, hạt nhựa sẽ mất cation Ca2+ và liên kết lại với cation Na+.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA44 44] }}</ref>

[[Tập tin:Ion exchange resin beads.jpg|thumb|Hạt nhựa trao đổi ion [[zeolit]]]]
Có 4 loại hạt nhựa trao đổi ion cơ bản là cation axit mạnh (SAC), cation axit yếu (WAC), anion bazo mạnh (SBA), và anion bazo yếu (WBA).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8">{{chú thích web | title=Chapter 08- Ion Exchange, Water Demineralization & Resin Testing | website=SUEZ Handbook of Industrial Water Treatment | url=https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | access-date=2020-09-06 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200906213729/https://www.suezwatertechnologies.com/handbook/chapter-08-ion-exchange | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Trong đó, phương pháp [[natri]] [[zeolit]], sử dụng loại hạt nhựa cation axit mạnh (SAC), là phương pháp làm mềm nước trao đổi ion phổ biến nhất.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /> Zeolit được chia thành ba loại sản phẩm chính: zeolite đá xanh (''greensand'' – dùng cho nước có độ cứng tương đối thấp), zeolite cacbon (dùng cho độ cứng trung bình), và zeolite nhựa [[styren]] (dùng cho độ cứng cao).<ref name="Applebaum 2013 p. 43">{{chú thích sách | last=Applebaum | first=S.B. | title=Demineralization by Ion Exchange: In Water Treatment and Chemical Processing of Other Liquids | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-1-4832-5842-3 | url=https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=JyISBQAAQBAJ&pg=PA43 43]}}</ref> Phản ứng hóa học của cột trao đổi ion zeolit như sau:

:{{Chem2|Na2Z + Ca(2+) <-> CaZ + 2 Na+}}
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Ưu điểm của phương pháp làm mềm nước bằng trao đổi ion là thiết bị vận hành đơn giản, hiệu quả, chi phí đầu tư quy trình vận hành tự động hoặc bán tự động thấp. Ngoài ra, nước muối NaCl dùng để hoàn nguyên cũng rẻ tiền và an toàn khi sử dụng. Hệ thống trao đổi ion có thể hoạt động hiệu quả ở nhiều loại kích cỡ thiết bị từ nhỏ đến lớn, nên hệ thống này phù hợp cho nhiều ứng dụng trong dân dụng và công nghiệp. Nhược điểm của phương pháp này là chỉ xử lý được độ cứng nhưng không xử lý được chất rắn hòa tan, [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]], và silica (SiO2) trong nước. Thiết bị làm mềm nước natri zeolit không thể thay thế hoàn toàn cho hệ thống làm mềm nước vôi–sođa (phương pháp kết tủa). Ngoài ra, phương pháp trao đổi ion không hiệu quả với loại nước có [[độ đục]] cao. Nếu nước đầu vào có độ đục cao, cần sử dụng hệ thống tách–lọc trước khi đưa vào thiết bị làm mềm nước. Hạt nhựa trao đổi ion cũng dễ bị ảnh hưởng bởi [[kim loại nặng]] và những [[chất oxy hóa]] mạnh như [[clo]]. Những chất này cần được xử lý bằng [[natri sunfit]] hoặc đi qua bộ lọc [[than hoạt tính]] trước khi làm mềm bằng cột trao đổi ion.<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

===Khử muối khoáng===
Trong một số quy trình và thiết bị đặc biệt như nồi hơi áp suất cao hoặc sản xuất thiết bị điện tử, việc làm mềm nước cứng không chỉ loại bỏ các ion độ cứng (Ca2+, Mg2+), mà còn yêu cầu phải loại bỏ toàn bộ chất rắn hòa tan từ các ion khác như {{Chem2|Na+, SiO2, Cl-, SO4(2-), NO3(-)}}. Do vậy, cần dùng đến phương pháp khử muối khoáng.

Phương pháp khử muối khoáng, hay còn gọi là phương pháp khử ion (''deionization''), về bản chất là một phương pháp trao đổi ion nhằm loại bỏ toàn bộ muối vô cơ khỏi dung dịch nước. Trong phương pháp này, hai thiết bị trao đổi ion được đặt và hoạt động nối tiếp nhau. Thiết bị đầu tiên được gọi là cột trao đổi cation. Trong thiết bị này, các ion canxi, magie, natri... sẽ được trao đổi với ion hidro (H+). Dung dịch trước lọc khi đi qua cột trao đổi cation sẽ được chuyển hóa thành axit dưới dạng axit sunfuric, axit hidroclorua, cacbon dioxit. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:{{Chem2|CaSO4 + H2Z -> CaZ + H2SO4}}
:{{Chem2|Ca(HCO3)2 + H2Z -> CaZ + 2 H2O + 2 CO2}}
:{{Chem2|2 NaCl + H2Z -> Na2Z + HCl}}
Với Z là công thức rút gọn của zeolit.

Dung dịch sau lọc là dung dịch có tính axit, được di chuyển tiếp qua thiết bị thứ hai, được gọi là cột trao đổi anion. Tại đây, các anion gốc axit như {{Chem2|SO4(2-), Cl-, NO3-}} sẽ được trao đổi với ion hydroxit (OH-). Dung dịch sau lọc của cột trao đổi anion sẽ là dung dịch nước không chứa ion. Phương trình phản ứng minh họa như sau:

:{{Chem2|H2SO4 + Z(OH)2 -> ZSO4 + 2 H2O}}
:{{Chem2|2 HCl + Z(OH)2 -> ZCl2 + 2 H2O}}

Khi vật liệu trao đổi ion trong các thiết bị khử muối khoáng đã bão hòa và giảm hẳn hiệu quả, chúng có thể được hoàn nguyên tương tự như cột trao đổi ion natri zeolit, chỉ khác là thay vì sử dụng nước muối thì người ta dùng dung dịch axit và bazo loãng làm dung dịch hoàn nguyên. Đối với cột trao đổi cation, hạt nhựa zeolit được bơm dung dịch {{Chem2|H2SO4}} hoặc HCl loãng (nồng độ ban đầu là 2%, tăng dần đến khoảng 6%–8%). Cột trao đổi anion được hoàn nguyên bằng dung dịch NaOH loãng (nồng độ khoảng 4%).<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />

Ưu điểm của phương pháp khử muối khoáng là dung dịch sau khi lọc sẽ hoàn toàn loại bỏ các ion, nên được gọi là "nước khử ion" (''deionized water'').<ref name="Dyer 2013">{{chú thích sách | last=Dyer | first=A. | title=Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering | chapter=Ion Exchange | publisher=[[Elsevier]] | year=2013 | isbn=978-0-12-409547-2 | doi=10.1016/b978-0-12-409547-2.04402-4 | page=}}</ref> Tuy nhiên, do sử dụng các dung dịch axit và bazo như {{Chem2|H2SO4}}, HCl, NaOH, KOH để hoàn nguyên, dễ gây nguy hiểm cho người vận hành. Ngoài ra, hạt zeolit sử dụng trong thiết bị rất đắt tiền khi cần thay thế. Do vậy, phương pháp này thường chỉ áp dụng cho những hệ thống công nghiệp lớn.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 47">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA47 47]}}</ref>

=== Kết tủa ===
{{Chính|Làm mềm nước bằng vôi–sođa}}
Phương pháp kết tủa, hay còn gọi là "phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa", là một trong hai phương pháp làm mềm nước phổ biến nhất.<ref name="Spellman 2008 p. 437">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations, Second Edition | publisher=Taylor & Francis | year=2008 | isbn=978-1-4200-7530-4 | url=https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC | page=[https://books.google.ca/books?id=Ja28hvTxVpwC&pg=PA437 437]}}</ref> Phương pháp này loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở [[tính tan]] thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 bằng cách dùng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)2) và [[Natri cacbonat|sođa]] (Na2CO3). Sau đó, các hợp chất kết tủa CaCO3 và Mg(OH)2 vừa tạo kết tụ tạo thành bông cặn, sau đó được tách ra khỏi nước bằng các biện pháp kết bông, lắng, lọc.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA318 318]}}</ref>

Trong phương pháp làm mềm nước kết tủa, [[PH|độ pH]] cần được điều chỉnh để dung dịch có tính [[Bazơ|kiềm]] để hỗ trợ phản ứng tạo kết tủa (tối thiểu pH 9,4 đối với Ca2+ và pH 10,6 đối với Mg2+). Do vậy, vôi tôi (Ca(OH)2) được sử dụng để tăng pH cho dung dịch.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

Đối với độ cứng cacbonat (độ cứng tạm thời), Ca(OH)2 được cho vào nước. Ca(OH)2 phản ứng với các ion độ cứng theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ {{chem2|HCO3-}} thành {{chem2|CO3(2-)}} và tạo thành hợp chất CaCO3 ít tan. Các phản ứng xảy ra trong quá trình làm mềm nước cứng bao gồm:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />
:{{Chem2|H2O + CO2 + Ca(OH)2 -> CaCO3↓ + 2 H2O}}
:{{Chem2|Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + 2 H2O}}
:{{Chem2|Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 -> 2 CaCO3↓ + Mg(OH)2↓ + 2 H2O}}

Đối với độ cứng phi cacbonat (độ cứng vĩnh cửu), sođa và vôi cùng được thêm vào nước để tạo kết tủa theo các phản ứng sau:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" /><ref name="American Water Works Association 2003 p. 322">{{harvnb | American Water Works Association | 2003 | page=[https://books.google.ca/books?id=WO6A_4JAdVsC&pg=PA322 322]}}</ref>
:{{Chem2|CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + Na2SO4}}
:{{Chem2|CaCl2 + Na2CO3 -> CaCO3↓ + 2 NaCl}}
:{{Chem2|MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 -> Mg(OH)2↓ + CaCO3↓ + 2 NaSO4}}
:{{Chem2|MgCl2 + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2↓ + CaCl2}}

Phương pháp khử cứng bằng vôi–sođa chia thành ba loại chính: phương pháp lạnh, ấm, và nóng. Với phương pháp vôi–sođa lạnh, những phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ thường. Với phương pháp vôi–sođa ấm, nhiệt độ của những phản ứng hóa học khoảng 50–60 °C. Đối với phương pháp vôi–sođa nóng, nhiệt độ nước từ 105 °C đến 115 °C. Khi đó, phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, chất tủa rắn cũng dễ được loại bỏ nhờ quá trình lọc, do vậy phương pháp nóng là loại phổ biến nhất. Ngoài ra, phương pháp vôi–sođa nóng cũng dễ dàng loại bỏ [[silic oxit]] trong nước vì silic oxit sẽ bám vào Mg(OH)2 kết tủa vừa được tạo thành; điều này không thực hiện được đối với phương pháp lạnh và ấm.<ref name="Amjad 2010 p.263">{{harvnb | Amjad | 2010 | page=[https://books.google.ca/books?id=IRDOBQAAQBAJ&pg=PA263 263]}}</ref><ref name="Kucera 2015 p. 202">{{chú thích sách | last=Kucera | first=J. | title=Reverse Osmosis: Industrial Processes and Applications | publisher=[[John Wiley & Sons]] | year=2015 | isbn=978-1-119-14576-9 | url=https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=bbU_CQAAQBAJ&pg=PA202 202]}}</ref>

Phương pháp làm mềm nước bằng vôi–sođa có một số nhược điểm nhất định. Do chất tủa có tính tan yếu, nên dung dịch sau khi được làm mềm vẫn chứa một lượng nhỏ độ cứng – khoảng 50–85{{nbsp}}mg/L CaCO3.<ref name="American Water Works Association 2003 p. 318" /> Phương pháp này cũng tạo ra lượng cặn bùn lớn cần có quy trình xử lý chặt chẽ, đồng thời pH cũng cần theo dõi và điều chỉnh liên tục, vì nếu không sẽ gây ra những vấn đề trong hệ thống xử lý.<ref name="Spellman 2008 p. 437" />

=== Thẩm thấu ngược ===
{{Chính|Thẩm thấu ngược}}
[[Tập tin:Reverse osmosis.png|thumb|Nguyên lý hoạt động của quá trình thẩm thấu ngược]]
Hiện tượng [[thẩm thấu]] là quá trình di chuyển của dung dịch qua một lớp màng bán thấm; chiều của dung dịch sẽ đi từ nơi có nồng độ thấp ([[nhược trương]]) đến nơi có nồng độ cao ([[ưu trương]]). Dòng dịch chuyển này sẽ dừng lại khi nồng độ hai bên màng bán thấm cân bằng với nhau hoặc khi [[áp suất thẩm thấu]] ngăn sự di chuyển của dung dịch.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA48 48]}}</ref>

Hiện tượng ''thẩm thấu ngược'' là khi sử dụng một áp suất bên ngoài lớn hơn áp suất thẩm thấu, làm dung dịch đi xuyên qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp.<ref name="Spellman 2015 p. 290">{{chú thích sách | last=Spellman | first=F.R. | title=Reverse Osmosis: A Guide for the Nonengineering Professional | publisher=CRC Press | year=2015 | isbn=978-1-4987-2753-2 | url=https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ | page=[https://books.google.ca/books?id=_xYqCgAAQBAJ&pg=PA290 290]}}</ref> Do vậy, màng bán thấm chỉ cho phân tử nước đi qua và giữ lại những ion muối. Thiết bị thẩm thấu ngược có thể loại bỏ những thành phần vật chất lớn hơn 0,0005{{nbsp}}μm, bao gồm những ion muối khoáng hòa tan như Cl-, {{chem2|SO4(2-)}}, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, cũng như các tạp chất khác như cặn, vi khuẩn, virus, [[flo]], [[amiăng]], các kim loại nặng. Hệ thống thẩm thấu ngược còn được gọi là hệ thống lọc RO (''Reverse Osmosis''), lọc tinh, lọc nano (''ultrafiltration'', ''nanofiltration'').<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 48" />

=== Chưng cất ===
{{Chính|Chưng cất}}
Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt năng để đun sôi nước đến điểm sôi, tạo thành hơi nước. Hơi nước sẽ được ngưng tụ và thu hồi lại. Những chất rắn hòa tan và chất lỏng có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước (100{{nbsp}}°C ở áp suất khí quyển) sẽ được loại bỏ khỏi nước sau khi chưng cất. Ngoài ra, phương pháp chưng cất có thể loại bỏ vi khuẩn, virus, và các tạp chất ion như [[asen]], [[bari]], [[Cadimi|cadmi]], [[crom]], [[chì]], [[nitrat]], natri, sulfat...<ref name="CDC Home Water Treatment 2020">{{chú thích web | author=Centers for Disease Control and Prevention | title=Technical Information on Home Water Treatment Technologies - Home Water Treatment - Drinking Water - Healthy Water | website=CDC.gov | date=2020-08-04 | url=https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | access-date=2020-09-07 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20200715202402/https://www.cdc.gov/healthywater/drinking/home-water-treatment/household_water_treatment.html | archivedate=2020-09-06 }}</ref> Phương pháp chưng cất thường được dùng để khử muối trong nước biển, xử lý nước cấp nồi hơi, cung cấp nước uống tinh khiết.<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 49">{{harvnb|McEachern| Wist| Lehr| 2009| page=[https://books.google.ca/books?id=GJbdjEvQd1kC&pg=PA49 49]}}</ref> Tuy nước cất có độ tinh khiết rất cao, nhưng phương pháp này có nhược điểm là chi phí vận hành cao do sử dụng nhiều năng lượng.<ref name="Holman Stone 2001 p. 175">{{chú thích sách | last=Holman | first=J.S. | last2=Stone | first2=P. | title=Chemistry | publisher=Nelson Thornes Limited | series=Nelson Science Series | year=2001 | isbn=978-0-7487-6239-2 | url=https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC | page=[https://books.google.ca/books?id=j9auT6Jd_JMC&pg=PA175 175]}}</ref>

==Đo lường==
===Phương pháp đo===
Độ cứng trong nước có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm hóa lý như chuẩn độ hoặc đo bằng thiết bị đo. Phương pháp đo độ cứng của nước phổ biến nhất là phương pháp chuẩn độ dùng axit etylendiamintetraaxetic (EDTA). Phương pháp chuẩn độ EDTA có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm với những thiết bị như buret hoặc với những bộ kit thí nghiệm được chuẩn bị sẵn. Khi chỉ cần đo khoảng giá trị độ cứng của nước mà không cần độ chính xác, có thể dùng giấy thử chỉ thị màu. Độ cứng cũng có thể được đo bằng phương pháp so màu khi dùng dung dịch EDTA và máy quang phổ.<ref name="US EPA">{{chú thích web | author=
United States Environmental Protection Agency | title=Method 130.1: Hardness, Total
(mg/L as CaCO3) (Colorimetric, Automated EDTA) by Spectrophotometer | website=EPA.gov | date=2015 | url=https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-08/documents/method_130-1_1971.pdf | access-date=2020-09-07}}</ref> Ngoài ra, cũng có thể dùng thiết bị có đầu điện cực chọn lọc ion khi mẫu nước chứa nhiều tạp chất và độ đục cao, dẫn đến khó thực hiện đo bằng phương pháp so màu.<ref name="Ansell 2005 pp. 540–545">{{chú thích sách | last=Ansell | first=R.O. | title=Encyclopedia of Analytical Science | chapter=ION-SELECTIVE ELECTRODES – Water Applications | publisher=[[Elsevier]] | year=2005 | isbn=978-0-12-369397-6 | doi=10.1016/b0-12-369397-7/00298-3 | pages=540–545}}</ref>

===Đơn vị===
Độ cứng toàn phần là tổng nồng độ mol của các ion Ca2+ và Mg 2+ được tính theo đơn vị mol/L hoặc mmol/L. Tuy nhiên, độ cứng của nước thường có nhiều đơn vị khác nhau, tùy theo thang đo được sử dụng, như độ cứng tổng quát (dGH), độ cứng Đức (°HD) (không còn được sử dụng nữa), độ cứng Anh (°Clark), độ cứng Pháp (°fH), độ cứng Mỹ (ppm hoặc mg{{nbsp}}CaCO3/L).<ref name="TCVN 6224 1996" />

:{| class="wikitable"
|+ Bảng quy đổi đơn vị độ cứng của nước
|-
! || 1 mmol/L || 1 ppm, mg/L || 1 °HD || 1 °e, °Clark || 1 °fH
|-
! mmol/L
| 1 || 0,009991 || 0,1783 || 0,1424 || 0,09991
|-
! ppm, mg/L (Độ cứng Mỹ)
| 100,1 || 1 || 17,85 || 14,25 ||10
|-
! °HD (Độ cứng Đức)
| 5,608 || 0,05603 || 1 || 0,7986 || 0,5603
|-
! °e, °Clark (Độ cứng Anh)
| 7,022 || 0,07016 || 1,252 || 1 || 0,7016
|-
! °fH (Độ cứng Pháp)
| 10,01 ||0,1|| 1,785 || 1,425 || 1
|}

===Phân loại===
Độ cứng của nước cứng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hòa tan trong nước, độ pH, nhiệt độ; do vậy, một thang đo rất khó mô tả chính xác độ cứng của nước. Tuy nhiên, [[Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ]] đã đưa ra thang đo so sánh và phân loại độ cứng của nước như sau:<ref name=USGS>{{chú thích web|url=http://water.usgs.gov/owq/hardness-alkalinity.html|title=USGS Water-Quality Information: Water Hardness and Alkalinity|author=USGS - U.S. Geological Survey Office of Water Quality|work=usgs.gov}}</ref>
:{| class="wikitable"
|-
! Phân loại || mg-CaCO3/L || mmol/L || °HD || ppm
|-
|Nước mềm || 0–60 || 0–0,60 || 0–3,37 || 0–60
|-
|Nước tương đối cứng || 61–120 || 0,61–1,20 || 3,38–6,74 || 61–120
|-
|Nước cứng || 121–180 || 1,21–1,80 || 6,75–10,11 || 121–180
|-
|Nước rất cứng || ≥ 181 || ≥ 1,81 || ≥ 10,12 || ≥ 181
|}

[[Nước biển]] có độ cứng toàn phần (chỉ tính dựa trên nồng độ ion Ca2+ và Mg2+) là khoảng 6.558{{nbsp}}mg/L theo CaCO3, còn [[nước ngọt]] có độ cứng toàn phần dưới 75{{nbsp}}mg/L. Những loài cá nước ngọt được khuyến nghị nên nuôi trong môi trường có độ cứng từ 20 đến 400{{nbsp}}mg/L.<ref name="Tucker 1998 p. 71">{{chú thích sách | last=Tucker | first=J.W. | title=Marine Fish Culture | publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer US]] | year=1998 | isbn=978-0-412-07151-5 | url=https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC | page=[https://books.google.ca/books?id=--xDlCf_PKIC&pg=PA71 71]}}</ref> Tại Việt Nam, theo Quy chuẩn Kỹ thuật do Bộ Y tế ban hành, độ cứng tính theo CaCO3 trong nước sinh hoạt có giới hạn tối đa là 350{{nbsp}}mg/L được áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước.<ref name="QCVN 02 2009 BYT">{{chú thích sách | author=Cục Y tế dự phòng và Môi trường – Bộ Y tế | title=QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt | publisher= | year=2009 | url=https://www.eurofins.vn/media/311692/qcvn-02-n%C6%B0%E1%BB%9Bc-sinh-ho%E1%BA%A1t.pdf | page=3 }}</ref>

=== Các loại chỉ số ===
====Chỉ số bão hòa Langelier====
Chỉ số bão hòa Langelier (LSI) được xem là chỉ số thường gặp nhất trong các chỉ số bão hòa canxi cacbonat, được dùng để xác định khả năng hình thành cáu cặn của nước.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333">{{chú thích sách|editor1-first=N.E. |editor1-last=McTigue |editor2-first=J.M.|editor2-last= Symons|title=The Water Dictionary: A Comprehensive Reference of Water Terminology|url=https://books.google.ca/books?id=4zZuvPDvUAwC | year=2011| publisher=American Water Works Association| isbn=978-1-61300-101-1|pages=[https://books.google.com/books?id=4zZuvPDvUAwC&pg=PA333 333] | ref=harv}}</ref><ref name="Reid 2003 p.66">{{chú thích sách|last=Reid|first=Robert N. |title=Water Quality Systems: Guide For Facility Managers|url=https://books.google.ca/books?id=dR9iNIqcaa4C | year=2003| publisher=CRC Press| isbn=978-0-8247-4010-8| pages=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 66] | ref=harv}}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1936, bởi Giáo sư [[Đại học California]], W. F. Langelier.<ref>{{cite journal |last= DeMartini |first=F. |year=1938 |month= |title=CORROSION AND THE LANGELIER CALCIUM CARBONATE SATURATION INDEX | journal=Journal (American Water Works Association) |volume=30 |issue=1 |pages=85–111 |jstor=41231947 |url=http://www.jstor.org/stable/41231947 |accessdate=2020-09-22 |quote= }}</ref> Chỉ số bão hòa Langelier dựa trên ảnh hưởng của [[PH|độ pH]] đối với [[Độ hòa tan|độ tan]] của canxi cacbonat trong nước, theo những phương trình cân bằng sau:<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 91">{{chú thích sách | last=Borch | first=M.A. | last2=Smith | first2=S.A. | last3=Noble | first3=L.N. | title=Evaluation and Restoration of Water Supply Wells | publisher=AWWA Research Foundation and American Water Works Association | series=Subject Area: Water Resources | year=1993 | isbn=978-0-89867-659-4 | url=https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 | page=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA91 91] | ref=harv}}</ref><ref name="Roberge 1999 p. 106">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | title=Handbook of Corrosion Engineering | publisher=Mcgraw-hill | series=McGraw-Hill handbooks | year=1999 | isbn=978-0-07-076516-0 | url=https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC | page=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA106 106] | ref=harv}}</ref>
:{{Chem2|H2CO3 <-> HCO3- + H+}}
:{{Chem2|HCO3- <-> CO3(2-) + H+}}

Chỉ số bão hòa Langelier được xác định bằng hiệu số giữa độ pH đo được của nước (pHa) và độ pH khi bão hòa CaCO3 (pHs), với điều kiện độ cứng và [[Độ kiềm của nước|độ kiềm]] không đổi trong hai trường hợp. Công thức xác định chỉ số bão hòa Langelier được biểu diễn như sau:<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" />
:LSI = pHa − pHs

* Nếu LSI > 0, nước có xu hướng hình thành cáu cặn do quá bão hòa CaCO3.
* Nếu LSI < 0, nước có xu hướng hòa tan CaCO3 có trong nước; do vậy, không có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* Nếu LSI = 0, trong nước tồn tại trạng thái cân bằng của CaCO3, tuy nhiên, những yếu tố như tính chất nước, nhiệt độ, sự bay hơi, đều có thể thay đổi trạng thái cân bằng và chỉ số LSI.<ref name="McTigue Symons 2011 p.333" /><ref name="Roberge Revie 2007 p.373">{{chú thích sách | last=Roberge | first=P.R. | last2=Revie | first2=R.W. | title=Corrosion Inspection and Monitoring | publisher=Wiley | series=Wiley Series in Corrosion | year=2007 | isbn=978-0-470-09975-9 | url=https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC | page=[https://books.google.ca/books?id=42jC6uy-URgC&dq=Langelier+saturation+index+lsi&q=Langelier+saturation+index+lsi#v=snippet&q=Langelier%20saturation%20index%20lsi&f=false 373] | ref=harv}}</ref>

Độ pH bão hòa CaCO3 (pHs) được tính theo công thức sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.373" />
:pHs = (9,3 + A + B) – (C + D)
Trong đó:
:A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}}
:B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55
:C = log10 [Ca2+] − 0,4
:D = log10 [ACaCO3]

:''Ghi chú'':
:: [TDS]: [[Tổng chất rắn hòa tan]] (mg/L)
:: [Ca2+]: Nồng độ Ca2+ tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)
:: [ACaCO3]: [[Độ kiềm của nước|Độ kiềm]] tính theo CaCO3 (mg/L hoặc ppm)

Giả sử một mẫu nước có kết quả phân tích hóa lý như sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.374">{{harvnb | Roberge | Revie | 2007 | p=374}}</ref>
:: Nhiệt độ = 25 °C
:: pH = 7,5
:: TDS = 320 mg/L
:: Canxi = 150 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3
:: Độ kiềm A = 34 mg/L (or ppm) tính theo CaCO3

: Công thức tính chỉ số bão hòa LSI:
:: LSI = pHa − pHs
:: pHs = (9,3 + A + B) − (C + D) với:
:: A = {{sfrac|log10[TDS] − 1|10}} = 0,15
:: B = −13,12 × log10(°C + 273) + 34,55 = 2,09 (ở điều kiện nhiệt độ 25 °C)
:: C = log10[Ca2+] – 0,4 = 1,78
:: D = log10[ACaCO3] = 1,53
:: pHs = (9,3 + 0,15 + 2,09) – (1,78 + 1,53) = 8,23
:: LSI = 7,5 – 8,23 = −0,73
: Chỉ số bão hòa LSI nhỏ hơn 0; do vậy, mẫu nước không có xu hướng tạo thành cáu cặn.

Một số nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra mối liên hệ giữa chỉ số bão hòa Langelier và sự [[Ăn mòn|ăn mòn kim loại]]. Khi chỉ số LSI lớn hơn 0, cáu cặn có thể được hình thành, giúp tạo lớp bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Khi LSI nhỏ hơn 0, lớp cáu cặn không thể hình thành, dẫn đến kim loại có thể bị tấn công bởi tác động ăn mòn của môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ số LSI nhằm dự báo độ ăn mòn vẫn gây tranh cãi.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA94 94]}}</ref> Theo P.R. Roberge (1999), chỉ số LSI không được dùng làm chỉ số xác định khả năng ăn mòn đối với thép hoặc những kim loại khác dùng trong ngành xây dựng. Chỉ số LSI chỉ thể hiện độ ổn định của cáu cặn canxi cacbonat có sẵn trong môi trường nước hoặc những cấu trúc chứa canxi cacbonat khác. Chỉ số LSI và các chỉ số bão hòa khác không đảm bảo tính chất ngăn ngừa ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 107">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA107 107]}}</ref> Theo một số nghiên cứu, chỉ số bão hòa LSI chỉ được dùng để dự đoán khả năng xảy ra hiện tượng ăn mòn trong môi trường nước có khoảng pH từ 6,5 đến 9,5.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 94" />

====Chỉ số Ryznar====
Chỉ số ổn định Ryznar (RSI)<ref name="McTigue Symons 2011 p.525">{{harvnb|McTigue|Symons|2011|p=525}}</ref>, hay còn gọi chỉ số bão hòa Ryznar, dựa trên dữ liệu đo lường độ dày lớp cáu cặn trong hệ thống cấp nước đô thị để dự đoán ảnh hưởng tính chất hóa học của nước.<ref name="Reid 2003 p.72">{{harvnb|Reid|2003|p=[https://books.google.com/books?id=dR9iNIqcaa4C&pg=PA66 72]}}</ref> Chỉ số RSI được xây dựng dựa trên những quan sát thực nghiệm của tốc độ ăn mòn và sự hình thành lớp màng cáu cặn trong đường ống nước bằng thép. Cũng giống như chỉ số LSI, chỉ số RSI cũng dựa trên lý thuyết tính bão hòa CaCO3; tuy nhiên, khác với LSI, chỉ số RSI chỉ có giá trị dương (lớn hơn 0).<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95">{{harvnb | Borch|Smith|Noble|1993| p=[https://books.google.ca/books?id=mmOyVvZGAfMC&pg=PA95 95]}}</ref>

Chỉ số RSI được tính theo công thức sau:<ref name="RyznarLangelier1944">{{Cite journal | title = A New Index for Determining Amount of Calcium Carbonate Scale Formed by a Water | last2 = Langelier | first2 = W. F.| last1=Ryznar | first1=J.W. | journal = Journal of the American Water Works Association | volume= 36| issue= 4| pages = 472–486 | date=April 1944| jstor=23345279 | doi = 10.1002/j.1551-8833.1944.tb20016.x }}</ref>

: RSI = 2 pHs − pH
: pHs: pH ở điều kiện bão hòa CaCO3
: pH: Giá trị đo của mẫu nước
* Nếu RSI trong khoảng 6,5 < RSI < 7, nước được xem tương đương ở trạng thái [[Cân bằng hóa học|cân bằng]] bão hòa với canxi cacbonat.
* Nếu RSI < 6, nước ở trạng thái quá bão hòa CaCO3, có xu hướng tạo thành cáu cặn. Chỉ số RSI càng thấp, khả năng tạo cáu cặn càng nhiều.<ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348" />
* Nếu RSI > 7, cặn canxi cacbonat không thể hình thành (nước ở trạng thái dưới bão hòa CaCO3). Nếu RSI > 8, có thể dẫn đến hiện tượng ăn mòn.<ref name="Roberge 1999 p. 108">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA108 108]}}</ref> Nếu RSI > 9, có thể gây hư hỏng những cấu kiện thiết bị bằng sắt hoặc thép, như bơm, trong khoảng thời gian ngắn.<ref name="Borch Smith Noble AWWA 1993 p. 95" /><ref name="Alsaqqar Khudair Ali 2014 p. 1348">{{cite journal | last=Alsaqqar | first=Awatif S. | last2=Khudair | first2=Basim H. | last3=Ali | first3=Sura Kareem | title=Evaluating Water Stability Indices from Water Treatment Plants in Baghdad City | journal=Journal of Water Resource and Protection | publisher=Scientific Research Publishing, Inc, | volume=06 | issue=14 | year=2014 | issn=1945-3094 | doi=10.4236/jwarp.2014.614124 | page=1348}}</ref>

====Chỉ số Puckorius====
Chỉ số tạo cáu cặn Puckorius (PSI) được sử dụng nhằm định lượng mối liên hệ giữa trạng thái bão hòa và khả năng hình thành cáu cặn bằng cách ước lượng khả năng tạo [[dung dịch đệm]] (''buffering'') của nước. Nước có nồng độ canxi cao nhưng có tính kiềm và khả năng đệm thấp có thể dẫn đến việc độ bão hòa canxi cacbonat cao. Nồng độ canxi cao sẽ dẫn đến [[Phép nhân|tích số]] giữa [[ion]] và [[hoạt độ]] cao. Đồ thị của tích số ion–hoạt độ và lượng tủa rắn trong nước cho thấp nếu canxi bị kết tủa, sẽ làm độ pH tăng mạnh do tính đệm của dung dịch thấp.<ref name="Roberge 1999 p. 108" />

Chỉ số PSI được tính theo công thức gần giống với chỉ số RSI. Tuy nhiên, chỉ số Puckorius sử dụng ''pH cân bằng'' thay vì ''pH thực'' (pH đo lường) nhằm xét đến sự ảnh hưởng của tính đệm trong dung dịch:<ref name="Roberge 1999 p. 109">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA109 109]}}</ref>
: PSI = 2 pHcb − pHs
Với pHcb = 1,465 × log10[A] + 4,54.

Độ kiềm: [A] = {{chem2|[HCO3-] + 2[CO3(2-)] + [OH-]}}.
* PSI < 5,5: Nước có xu hướng tạo thành cáu cặn.
* 5,5 < PSI < 6,5: Khoảng giá trị PSI tối ưu. Dung dịch ở trạng thái cân bằng.
* PSI > 6,5: Nước có xu hướng ăn mòn.<ref name="García-Ávila et al 2018 pp. 111–123">{{cite journal | last=García-Ávila | first=F.| last2=Ramos- Fernández | first2=L.| last3=Pauta | first3=D.| last4=Quezada | first4=D.| title=Evaluation of water quality and stability in the drinking water distribution network in the Azogues city, Ecuador | url=http://dspace.ucuenca.edu.ec/retrieve/91216/documento.pdf | journal=Data in Brief | publisher=Elsevier BV | volume=18 | year=2018 | issn=2352-3409 | doi=10.1016/j.dib.2018.03.007 | pages=111–123}}</ref>

====Các loại chỉ số khác====
Ngoài 3 chỉ số được nêu trên, một số loại chỉ số bão hòa khác được sử dụng như Chỉ số Larson–Skold,<ref name="Roberge 1999 p. 109" /><ref>{{cite journal |last1=Larson |first1=T.E. |last2=Skold |first2=R.V. |date=1958 |title=Laboratory Studies Relating Mineral Quality of Water to Corrosion of Steel and Cast Iron | url=https://core.ac.uk/download/pdf/158322616.pdf |journal= |volume= |issue= |pages= |doi=10.5006/0010-9312-14.6.43 |access-date=}}</ref> Chỉ số Stiff–Davis,<ref>Stiff, Jr., H.A., Davis, L.E. (1952). A Method For Predicting The Tendency of Oil Field Water to Deposit Calcium Carbonate, Pet. Trans. AIME 195;213.</ref> và Chỉ số Oddo–Tomson.<ref>Oddo J.E. and Tomson M.B. (1992). Scale Control, Prediction and Treatment or How Companies Evaluate
a Scaling Problem and What They Do Wrong. [Corrosion 92, paper 34]. Houston, TX,
NACE International.</ref><ref name="Roberge 1999 p. 110">{{harvnb|Roberge|1999|p=[https://books.google.ca/books?id=slwiOCK1OYoC&pg=PA110 110]}}</ref>

==Tham khảo==
{{tham khảo|30em}}

[[Thể loại:Nước]]
[[Thể loại:Chất lỏng]]
[[Thể loại:Dạng nước]]
[[Thể loại:Đá vôi]]

Ẩm kế

2021-03-03T01:07:29Z

Ltn: /* Ẩm kế tóc */

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Haar-Hygrometer.jpg|thumb|Ẩm kế tóc với thang đo phi tuyến tính.]]

'''Ẩm kế''' (tiếng Anh: ''hygrometer'') hay '''máy đo độ ẩm''', là một dụng cụ dùng để đo lượng [[hơi nước]] trong không khí, trong đất hoặc trong vùng không gian hạn chế. Những dụng cụ đo [[độ ẩm]] thường dựa vào kết quả đo của một số đại lượng khác như nhiệt độ, áp suất, khối lượng, sự thay đổi cơ học hoặc điện trong một chất khi độ ẩm được hấp thụ. Bằng cách hiệu chuẩn và tính toán, các đại lượng đo này dùng để tính ra độ ẩm. Các thiết bị điện tử hiện đại sử dụng nhiệt độ ngưng tụ (gọi là [[điểm sương]]) hoặc thay đổi [[điện dung]] hoặc [[Điện dung|điện]] [[Điện trở|trở]] để đo sự thay đổi độ ẩm. Máy đo độ ẩm đơn giản đầu tiên được phát minh bởi nhà toán học người Đức, [[Hồng y|Hồng Y]] [[Nicholas xứ Cusa]], vào khoảng năm 1450, và một phiên bản hiện đại hơn đã được tạo ra bởi nhà khoa học người Thụy Sĩ [[Johann Heinrich Lambert]] vào năm 1755.{{sfn | Bullynck | 2010 | pp=65–89}} Sau đó, vào năm 1783, nhà vật lý và địa chất người Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]] đã phát minh ra ẩm kế đầu tiên sử dụng tóc người để đo độ ẩm.

Lượng hơi nước tối đa có thể được giữ trong một thể tích không khí nhất định ([[Độ ẩm tương đối|bão hòa]]) thay đổi theo nhiệt độ; không khí lạnh chứa khối lượng nước trên một đơn vị thể tích ít hơn không khí nóng. Nhiệt độ có thể thay đổi độ ẩm. Hầu hết các thiết bị đo tương ứng với (hoặc được hiệu chuẩn để đọc) [[độ ẩm tương đối]] (RH), là lượng nước tương đối với mức tối đa ở một nhiệt độ cụ thể được biểu thị bằng phần trăm.

==Lịch sử==

Máy ẩm kế sơ khai đầu tiên được phát minh vào triều đại [[nhà Thương]] ở Trung Quốc cổ đại dùng để nghiên cứu thời tiết.<ref name="Hamblyn 2010 16–17">{{harvnb | Hamblyn | 2010| pp=16-17}}</ref> Người Trung Quốc đã sử dụng một thanh than, cân trọng lượng khô, rồi so với trọng lượng ẩm của nó sau khi tiếp xúc một thời gian với không khí. Sự chênh lệch về trọng lượng dùng để tính độ ẩm. Cho đến đầu [[thế kỷ 15]], những nhà khoa học ở Châu Âu mới bắt đầu nghiên cứu và thiết kế những dụng cụ ẩm kế cơ học đầu tiên. Vào khoảng năm 1450, nhà toán học người Đức, [[Hồng y|Hồng Y]] [[Nicholas xứ Cusa]], đã có ý tưởng thiết kế một thiết bị mà ông gọi là ẩm kế hút ẩm (''hygroscopic hygrometer'').<ref>Ngày nay tên dụng cụ nghiệm ẩm (''hygroscope'') không còn được sử dụng, nhưng khái niệm về hiện tượng nghiệm ẩm (''hygroscopy'') và tính hút ẩm (''hygroscopic'') xuất phát từ thuật ngữ dụng cụ nghiệm ẩm mà Nicholas xứ Cusa sử dụng. ({{harvnb| Korotcenkov | 2019 | p=24}})</ref> Thiết bị này sử dụng một chiếc cân với một đầu treo một cuộn len và đầu còn lại treo một viên đá. Chiếc cân sẽ cân bằng khi không khí khô. Khi không khí trở nên ẩm ướt hơn, tức độ ẩm không khí tăng lên; [[len]] là vật liệu rỗng xốp, nên dễ dàng hút ẩm trong không khí và khối lượng sẽ tăng lên, làm chiếc cân nghiêng về phía cuộn len. Triết gia người Ý, [[Leone Battista Alberti]], đã đề nghị sử dụng bọt biển thay thế cuộn len, vì bọt biển cũng có tính chất hút ẩm tương tự len.<ref name="Istituto">{{chú thích web | title=Hygrometer | website=Istituto e Museo di Storia della Scienza | date = ngày 27 tháng 2 năm 2008 | url=https://brunelleschi.imss.fi.it/itineraries/multimedia/Hygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Tuy nhiên, không có bằng chứng chính xác nào chứng minh việc Hồng y [[Nicholas xứ Cusa]] đã thực sự làm ra một chiếc ẩm kế cuộn len như ý tưởng của ông. Cho đến năm 1481, nhà khoa học [[Leonardo da Vinci|Leonardo de Vinci]] được ghi nhận là đã ứng dụng ý tưởng này để tạo ra chiếc ẩm kế đầu tiên.<ref name="Teague12">{{harvnb | Teague | Gallicchio | 2017 | p=12}}</ref> Trong gần hai thế kỷ sau đó, thiết kế máy đo độ ẩm không có sự cải tiến nào đáng kể so với loại ẩm kế hút ẩm này.

Đến những năm thập niên 1650, [[Ferdinando II de' Medici, Đại Công tước xứ Toscana|Ferdinand II de Medici, Đại Công tước xứ Toscana]], đã sáng chế ra ẩm kế ngưng tụ (''condensation hygrometer'') đầu tiên. Ẩm kế này bao gồm một ống hình trụ chứa [[Băng|nước đá]]; hơi ẩm khi gặp bề mặt lạnh của ống nước đá sẽ ngưng tụ thành dạng lỏng và chảy vào ống đong đặt bên dưới. Lượng nước thu được trong ống đong–trong một khoảng thời gian nhất định– cho biết độ ẩm của không khí.<ref name="Ferdinand’s hygrometer">{{chú thích web | title=Condensation hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/CondensationHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Đến năm 1660, [[Francesco Folli]], một nhà khoa học người Ý, đã sáng chế ra loại ẩm kế bằng dải ruy-băng giấy mà ông gọi là "thiết bị hiển thị độ ẩm" ([[tiếng Ý]]: ''mostra umidaria'').<ref name="Teague12" /> Folli sử dụng một thanh gỗ dài, với dải ruy-băng giấy được kẹp bởi hai đầu thanh gỗ. Ở giữa thanh gỗ có một thanh đồng dựng thẳng để sợi giấy đi qua, đồng thời liên kết với kim đồng hồ chỉ thị. Dải giấy đóng vai trò là chất hút ẩm; khi độ ẩm trong không khí thay đổi, chiều dài dải ruy-băng giấy cũng thay đổi theo, làm quay kim chỉ thị bằng đồng ở giữa, thể hiện độ ẩm không khí.<ref name="Folli’s hygrometer">{{chú thích web | title=Folli's paper-ribbon hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/FollisPaperribbonHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Cũng cùng khoảng thời gian đó, nhà toán học người Ý [[Vincenzo Viviani]] cũng thiết kế một dụng cụ ẩm kế dùng dải ruy-băng giấy tương tự với Folli.<ref name="Viviani's hygrometer">{{chú thích web | title=Viviani's paper-ribbon hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/VivianisPaperribbonHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Năm 1687, nhà vật lý người Pháp, [[Guillaume Amontons]], thiết kế một dụng cụ ẩm kế bằng ống thủy tinh đứng, dài 1 mét, dưới đáy ống đặt một túi da chứa [[thủy ngân]].<ref name="Istituto" /><ref name="Korotcenkov26">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | p=26}}</ref>

Năm 1755, nhà khoa học thiên tài người Thụy Sĩ, [[Johann Heinrich Lambert]], tạo ra dụng cụ ẩm kế bằng [[Dây thừng|sợi thừng]] mỏng quấn quanh một thanh kim loại. Khi độ ẩm không khí thay đổi, sợi thừng thay đổi chiều dài và thay đổi độ xoắn; độ xoắn của sợi thừng sẽ làm kim chỉ thị xoay cho biết giá trị độ ẩm.{{sfn | Bullynck | 2010 | pp=65–89}} Năm 1769, Lambert công bố tác phẩm nghiên cứu khoa học đầu tiên về ẩm trắc học (''hygrometry'') và ẩm kế. Lambert không chỉ muốn [[nghiên cứu định lượng]] bằng các phép tính toán học về độ ẩm, mà ông còn muốn tìm ra điều kiện mà độ ẩm xảy ra để từ đó có thể dự đoán trước giá trị độ ẩm. Ông định nghĩa về [[độ ẩm]] như sau:
{{Quote
|text=Độ ẩm trong không khí là khối lượng, hay nói chính xác hơn là trọng lượng<ref>[https://www.nyu.edu/pages/mathmol/textbook/weightvmass.html So sánh khối lượng (''mass'') và trọng lượng (''weight'').]</ref> của tất cả vật chất ở thể khí đang lơ lửng trong một thể tích nhất định (ví dụ, trong 1 [[foot khối]]<ref>{{convert|1|cuft|m3|abbr=on}}</ref> không khí).
|author=Johann Heinrich Lambert<ref>Nguyên văn: ''The degree of humidity of air is the mass or better even the weight of all aqueous particles that float in a certain volume (e.g. in a cubic foot of air).'' ([https://web.archive.org/web/20181103164408/https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document Bullynck 2010])</ref>
}}

Năm 1783 (có tài liệu cho rằng năm 1775<ref name="Teague13">{{harvnb | Teague | Gallicchio | 2017 | p=13}}</ref>), [[Horace Benedict de Saussure]], nhà vật lý người Thụy Sĩ, đã phát minh ra ẩm kế tóc (''hair hygrometer'') đầu tiên; loại ẩm kế này vẫn được sử dụng đến ngày nay. Ẩm kế của Saussure hoạt động dựa trên tính chất của tóc sẽ thay đổi chiều dài theo độ ẩm tương đối trong không khí.<ref name="Korotcenkov2324">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=23–24}}</ref> Đến năm 1820, [[John Frederic Daniell]] (1790–1845), nhà hóa học người Anh, sáng chế ra ẩm kế điểm sương (''dew-point hygrometer'') đầu tiên<ref name="Daniell">{{chú thích web | title=John Frederic Daniell | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/biography/John-Frederic-Daniell | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref>; đến năm 1845 thì hoàn thiện hơn bởi [[Henri Victor Regnault]].<ref name="Regnault">{{chú thích web | title=Henri-Victor Regnault | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/biography/Henri-Victor-Regnault | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Ẩm kế điểm sương do Daniell phát minh sử dụng một tấm kim loại phẳng bóng được làm lạnh dưới điều kiện đẳng áp cho đến khi hơi nước ngưng tụ và đọng trên bề mặt gương kim loại – nhiệt độ đó gọi là [[điểm sương]].<ref name="Teague13" />

== Các loại ẩm kế kiểu truyền thống ==

=== Ẩm kế loại cuộn giấy–kim loại ===
Ẩm kế cuộn giấy–kim loại (''metal-paper coil hygrometer'') rất hữu ích để thể hiện sự thay đổi độ ẩm bằng dụng cụ chỉ thị kim số. Loại ẩm kế này thường thấy ở các thiết bị rẻ tiền và có độ chính xác thấp, với sai số từ 10% trở lên.<ref name="Korotcenkov2627" /> Ẩm kế cuộn giấy–kim loại có cấu tạo gồm một dải ruy-băng giấy được dán dính với một miếng kim loại dát mỏng; toàn bộ dải giấy–kim loại này xếp thành cuộn hình xoắn ốc. Một đầu của cuộn dây xoắn ốc gắn cố định; đầu còn lại gắn vào kim số chỉ thị. Khi độ ẩm thay đổi, cuộn giấy hình xoắn ốc sẽ uốn cong do sự thay đổi độ dài của giấy khi hấp thu hơi nước. Kim số sẽ hiển thị độ ẩm trên thang đo đồng hồ ẩm kế.<ref name="Korotcenkov2627">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=26–27}}</ref>

=== Ẩm kế tóc ===
[[Tập tin:HygrometerSaussure.jpg|nhỏ| Bản vẽ mô hình ẩm kế tóc thiết kế bởi nhà vật lý Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]]]]

Ẩm kế tóc<ref name="SGKVL 10 2007 214" /> (''hair hygrometer'') là dụng cụ đo độ ẩm sử dụng tóc người hoặc lông động vật dựa vào tính chất thay đổi chiều dài theo độ ẩm trong không khí. Tóc có tính hút ẩm và giữ độ ẩm; độ dài của tóc thay đổi theo độ ẩm và sự thay đổi độ dài có thể được phóng to bằng cơ cấu truyền động và được thể hiện trên mặt kim số hoặc thước đo. Năm 1783, nhà vật lý và nhà địa chất người Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]] đã chế tạo ẩm kế tóc đầu tiên bằng cách sử dụng tóc người.<ref name="Saussure hair hygrometer">{{chú thích web | title=Saussure hair hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/SaussureHairHygrometer.html | accessdate = ngày 6 tháng 7 năm 2020}}</ref> Thiết bị dự báo thời tiết dân gian truyền thống có tên ngôi nhà thời tiết (''weather house'') được hoạt động dựa trên nguyên tắc của ẩm kế tóc.<ref name="Korotcenkov24">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=24}}</ref>

Ẩm kế tóc có ưu điểm là thiết kế và nguyên lý hoạt động đơn giản, chi phí thấp, dễ sử dụng, phù hợp trong những điều kiện không quá khắc nghiệt (như độ ẩm quá cao hoặc quá thấp). Một trong những nhược điểm của ẩm kế tóc là độ chính xác không cao do sự thay đổi chiều dài của tóc [[Tuyến tính|không tuyến tính]] với độ ẩm. Khi độ ẩm tăng lên, chiều dài sợi tóc sẽ thay đổi nhiều hơn so với khi độ ẩm giảm đi. Qua thực nghiệm, độ nhạy của sợi tóc khi độ ẩm tăng lên sẽ lớn hơn từ 5% đến 6% so với khi độ ẩm giảm xuống.<ref name="Korotcenkov2526">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=25–26}}</ref> Ngoài ra, ẩm kế tóc có [[hiện tượng trễ]] (''hysteresis'') và thời gian phản hồi phụ thuộc vào nhiệt độ. Thời gian phản hồi<ref name="Thời gian hồi đáp">Thời gian phản hồi hay thời gian hồi đáp (tiếng Anh: ''response time'') là khoảng thời gian để cảm biến đo độ ẩm trong ẩm kế phản hồi kết quả khi độ ẩm thay đổi.</ref> của ẩm kế tóc ở 20°C là 10 giây và ở –30°C là 30 giây. Ẩm kế tóc cũng dễ bị ảnh hưởng bởi các tác nhân nhiễm bẩn từ môi trường, như [[bụi]], [[amoniac]], [[dầu]]. Để khắc phục độ trễ của ẩm kế tóc, tóc được quấn thành cuộn để tóc bị dẹp lại, tạo tiết diện mặt cắt hình [[Elíp|elip]]. Khi đó, tỉ lệ [[diện tích bề mặt]] trên một đơn vị thể tích của tóc sẽ tăng lên và giảm hệ số độ trễ, đồng thời tăng tính [[tuyến tính]] cho ẩm kế. Nếu tóc được xử lý hóa chất với cồn, [[diethyl ether]]<ref>{{harvnb| Draper | 1861 | page=[https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC/page/n69 55]}}</ref>, [[bari sulfua]] (BaS) hoặc [[Natri sunfua|natri sulfua]] (Na2S)<ref name="Korotcenkov2526" /> để loại bỏ những chất dầu có trong tóc nhằm tăng độ phản hồi tuyến tính và độ chính xác cho ẩm kế.

Qua thực nghiệm, [[độ ẩm tương đối]] (RH) trong khoảng 20%–90% là phù hợp nhất đối với ẩm kế tóc. Cũng giống các thiết bị ẩm kế khác, ẩm kế tóc hoạt động chính xác nhất trong khoảng giữa của thang đo độ ẩm; trong khoảng 40%–60% RH ở nhiệt độ phòng, độ chính xác của ẩm kế tóc là ± 2–3% RH. Ngoài khoảng đó, độ chính xác của ẩm kế tóc giảm dần. Ngoài ra, độ chính xác của ẩm kế tóc còn bị ảnh hưởng vào nhiều yếu tố khác như tính chất các loại tóc/lông khác nhau, sai số do cơ cấu truyền động bên trong ẩm kế, điều kiện môi trường. Ví dụ, ẩm kế tóc không nên đặt ở những vị trí có luồng không khí thay đổi vận tốc liên tục mà nên ở những nơi có vận tốc khí ổn định.<ref name="Korotcenkov2526" />

=== Ẩm kế khô–ướt ===
[[Tập tin:Stevenson screen interior.JPG|thumb|Phần bên trong của [[Màn hình Stevenson|khung Stevenson]] hiển thị một máy đo ẩm kế khô-ướt]]

Ẩm kế khô–ướt<ref name="SGKVL 10 2007 214">{{chú thích sách | author= Bộ Giáo dục Đào tạo Việt Nam |date= 2007 |title=Vật lí 10 | url=https://drive.google.com/file/d/1p1-YClI_dhfTu0Ju5Fvs7F3oWSPWt8O2/view |location=|publisher= Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam |edition=1| pp=214-215}}</ref> hay còn gọi là '''ẩm kế bốc hơi ẩm'''<ref name="HMC 2007 162">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=162}}</ref> (tiếng Anh: ''psychrometer'') dùng để đo [[độ ẩm tương đối]] của không khí. Ẩm kế khô–ướt có thiết kế gồm hai nhiệt kế: nhiệt kế bầu khô (''dry-bulb thermometer'') và nhiệt kế bầu ướt<ref name="TCVN 6576 2013" /> (''wet-bulb thermometer''). Trên đầu đo của nhiệt kế bầu ướt có bọc một lớp bông hoặc vải thấm nước để giữ ẩm. Nhiệt kế bầu khô (''tk'') chỉ nhiệt độ của không khí và nhiệt kế bầu ướt (''ta'') chỉ nhiệt độ bay hơi của nước ở trạng thái bão hòa. Ở nhiệt độ cao hơn điểm đông của nước, nước bay hơi nhờ ẩn nhiệt hóa hơi, làm giảm nhiệt độ, do đó nhiệt kế bầu ướt sẽ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt kế bầu khô. Khi đó giữa hai đầu đo có chênh lệch nhiệt độ ({{math|Δ''t''{{=}} ''tk''−''ta''}}). Nếu không khí càng khô thì nước bốc hơi càng mạnh, nhiệt độ đầu đo của nhiệt kế ướt càng giảm. Dựa vào chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nhiệt kế sẽ xác định được độ ẩm tương đối của không khí.

[[Tập tin:Daniell hygrometer-MHS 2191-P4070317-gradient.jpg|thumb|left|upright=0.8|Máy ẩm kế khô–ướt có lẽ được sản xuất tại Thụy Sĩ vào khoảng năm 1850 bởi Kappeller ([[Musée d'histoire des sc khoa de la Ville de Genève|MHS Geneva]])]]

Độ ẩm tương đối cũng có thể được xác định bằng đồ thị trạng thái của không khí ẩm hay còn gọi là đồ thị độ ẩm (''humidity chart'' hoặc ''psychrometric chart''). Có hai loại đồ thị độ ẩm phổ biến: đồ thị d-t và đồ thị I-d. ''Đồ thị d-t'' còn được biết đến với tên là đồ thị Grosvenor (''Grosvenor chart'') theo tên của hai kỹ sư thiết lập nên đồ thị này đầu tiên.<ref name="Keey 1991">{{chú thích sách | last=Keey | first=R.B. | title=Drying Of Loose And Particulate Materials | publisher=Taylor & Francis | year=1991 | isbn=978-0-89116-878-2 | url=https://books.google.ca/books?id=CYELHT3DQuEC&pg=PA141 | accessdate = ngày 8 tháng 7 năm 2020 | pp=141-142}}</ref> Đồ thị d-t biểu thị mối quan hệ của các đại lượng [[độ chứa hơi]] (d), [[nhiệt độ]] (t), [[Entanpi|entanpy]] không khí ẩm (I), [[độ ẩm tương đối]] (RH hoặc φ), [[thể tích riêng]] (v), [[Nhiệt hiện|hệ số nhiệt hiện]] (SHR<ref name="TCVN 6576 2013">Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6576:2013 (ISO 5151:2010) về Máy điều hoà không khí và bơm nhiệt không ống gió – Thử và đánh giá tính năng.</ref>). ''Đồ thị I-d'' thường được nhắc đến trong tiếng Anh là ''Mollier-Ramzin chart'' do đặt theo tên của hai kỹ sư Mollier (người Đức) và Ramzin (người Nga) thiết lập nên đồ thị lần đầu tiên.<ref name="Keey 1991" /> Đồ thị I-d biểu thị mối quan hệ của các đại lượng entanpy (I), độ chứa hơi (d), nhiệt độ (t), độ ẩm tương đối (RH hoặc φ), và [[Áp suất riêng phần|áp suất hơi nước riêng phần]] (ph) của không khí ẩm. Áp suất hơi nước riêng phần trong các mẫu khí là áp suất hơi bão hòa ứng với điểm sương được quan sát và khí trong ẩm kế có cùng áp suất với khí tại thời điểm lấy mẫu.<ref name="TCVN 12045 2017">{{citeweb | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-12045-2017-iso-6327-1981-phan-tich-khi-xac-dinh-diem-suong-theo-nuoc-am-ke#van-ban-goc | title=Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12045:2017 (ISO 6327:1981) về Phân tích khí – Xác định điểm sương theo nước của khí thiên nhiên – Âm kế ngưng tụ bề mặt lạnh | accessdate = ngày 9 tháng 7 năm 2020}}</ref>

Ẩm kế khô–ướt thường được sử dụng trong ngành [[khí tượng học]] và trong ngành công nghiệp [[điện lạnh]] để sạc [[Chất làm lạnh|môi chất lạnh]] thích hợp cho các hệ thống điều hòa không khí dân dụng và thương mại.

=== Ẩm kế quay ===
[[Tập tin:Sling psychrometer.JPG|thumb|Ẩm kế quay dùng để sử dụng ngoài trời]]

Ẩm kế quay (''sling psychrometer'' hoặc ''whirling psychrometer'') về cơ bản có cùng nguyên lý hoạt động với ẩm kế khô–ướt. Ẩm kế quay gồm hai nhiệt kế bầu khô (không bọc vải) và bầu ướt (bọc vải) được gắn song song với nhau trong một khung gỗ; một đầu khung gỗ gắn tay cầm. Khi sử dụng, bầu bọc vải được thấm nước, rồi dùng tay cầm quay trong không khí cho đến khi nhiệt độ trên hai nhiệt kế bằng nhau. Theo tiêu chuẩn ASTM E337–15 của Hoa Kỳ, phương pháp đo bằng ẩm kế quay phù hợp trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 5 °C đến 50 °C, nhiệt độ bầu ướt không được dưới 1 °C, và áp suất môi trường chênh lệch với áp suất không khí tiêu chuẩn không quá 30%.<ref name="ASTM E337–2015">{{chú thích web | title=ASTM E337–15 Standard Test Method for Measuring Humidity with a Psychrometer (the Measurement of Wet- and Dry-Bulb Temperatures)| website=ASTM International ([[ASTM Quốc tế]]) | date = ngày 1 tháng 7 năm 2015 | url=https://www.astm.org/Standards/E337.htm }}</ref>

== Các loại ẩm kế hiện đại ==

=== Ẩm kế ngưng tụ ===

Ẩm kế ngưng tụ<ref name="LVD 2001 349">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|pp=349-350}}</ref><ref name="HMC 2007 160">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=160}}</ref>, hay còn gọi là '''ẩm kế gương lạnh''', '''ẩm kế quang'''<ref name="NVH 2005 319">{{harvnb |Nguyễn Văn Hòa | 2005 | p=319}}</ref>, '''ẩm kế điểm sương gương lạnh''' (''chilled-mirror dew point hygrometer'')<ref name="Wiederhold 1997 27">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=27}}</ref>, là một trong những loại ẩm kế chính xác nhất, đáng tin cậy nhất, do đó, thường được sử dụng để định chuẩn.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Ẩm kế ngưng tụ hoạt động dựa trên nguyên tắc đo điểm sương. [[Điểm sương]] (''dew point'') là nhiệt độ mà tại đó, hơi nước trong hỗn hợp khí đạt đến trạng thái bão hòa, độ ẩm tương đôi trong không khí đạt đến 100%, hơi nước mất nhiệt ẩn hóa hơi và bắt đầu ngưng tụ.<ref name="Turns 2006 592">{{chú thích sách | last=Turns | first=S.R. | title=Thermodynamics: Concepts and Applications | publisher=Cambridge University Press | year=2006 | isbn=978-0-521-85042-1 | url=https://books.google.ca/books?id=fy5hs04OeMQC&pg=PA592 | accessdate = ngày 9 tháng 7 năm 2020 | page=592}}</ref><ref name="Heldman 2003 186">{{chú thích sách | last=Heldman | first=D.R. | title=Encyclopedia of Agricultural, Food, and Biological Engineering (Print) | publisher=Taylor & Francis | series=Dekker Encyclopedias Series | year=2003 | isbn=978-0-8247-0938-9 | url=https://books.google.ca/books?id=fCRpUZzT2hMC&pg=PA186 | page=186}}</ref>

Nguyên lý hoạt động cơ bản của ẩm kế là sử dụng một gương kim loại bằng [[đồng]] phủ kim loại [[rhođi|rhodi]] hoặc [[vàng]] có nhiệt độ bề mặt được điều chỉnh chính xác nhờ một thiết bị làm lạnh nhiệt điện (''thermo-electric cooler'' - TEC) hoặc [[Bơm nhiệt điện|bơm nhiệt Peltier]]. Tia sáng mạnh chiếu từ nguồn sáng ([[LED|đèn LED]]) đập tới gương [[phản xạ]] chiếu tới đầu thu là một tế bào [[quang dẫn]] (''photo-transistor''). Mẫu khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và bề mặt gương được làm lạnh dần cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ. Khi lớp sương xuất hiện, ánh sáng bị [[tán xạ]] tới đầu thu quang, giảm lượng sáng đo được bởi đầu thu. Do vậy, đầu thu quang dẫn sẽ kích thích bộ điều khiển phát tín hiệu để bơm nhiệt bên dưới gương hoạt động và làm nóng gương. Gương bị nung nóng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng, chu kỳ làm lạnh mới lại bắt đầu.<ref name="Wiederhold 1997 28">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=28}}</ref> Chu kỳ tiếp tục cho đến khi tạo thành trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ, khi đó lớp ngưng tụ có độ dày xác định. Để đo nhiệt độ gương, sử dụng cảm biến đo nhiệt độ kiểu điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu.<ref name="HMC 2007 161">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=161}}</ref> Ẩm kế ngưng tụ có hệ thống [[ghép quang]] (''optocoupler'') bên trên gồm đèn LED và đầu thu quang dẫn dùng để bù trôi. Hệ thống ghép quang dưới mặt gương dùng để đo độ phản xạ của gương. Cảm biến được cân bằng quang nhờ bộ chắn ánh sáng của bộ ghép quang phía trên.<ref name="Fraden 2015 518">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=518}}</ref> Tốc độ làm lạnh bề mặt gương thông thường không được quá 1{{nbsp}}°C một phút.<ref name="TCVN 12045 2017" />

Ẩm kế ngưng tụ được sử dụng phổ biến từ đầu thập kỷ 1960 do lúc đó, thiết bị bơm nhiệt điện và hệ thống đầu thu quang điện đã phát triển mạnh. Trước thập kỷ 1960, ẩm kế ngưng tụ chủ yếu được sử dụng trong các phòng thí nghiệm do việc sử dụng môi chất làm lạnh rất khó kiểm soát nhiệt độ và việc phát hiện hơi nước ngưng tụ chủ yếu bằng mắt thường.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Theo [[Tiêu chuẩn quốc gia (Việt Nam)|Tiêu chuẩn Quốc gia]] [[TCVN 12045:2017]] (ISO 6327:1981), có hai nhóm phương pháp làm lạnh bề mặt gương: tự động và không tự động. Phương pháp làm lạnh không tự động đòi hỏi sự chú ý liên tục từ người vận hành, như làm lạnh [[Quá trình đoạn nhiệt|đoạn nhiệt]] (khí [[Cacbon điôxít|CO2]] nén trong bình, được xả lên mặt gương, khí CO2 giãn nở qua vòi phun và hạ nhiệt độ) hoặc dùng ống thổi [[Dung môi|dung môi bay hơi]] ([[etylen oxit]] – C2H4O). Phương pháp dùng thiết bị tự động bao gồm phương pháp tiếp xúc gián tiếp với [[chất làm lạnh]] qua [[điện trở nhiệt]] và [[bơm nhiệt điện]] ([[Hiệu ứng nhiệt điện|hiệu ứng Peltier]]). Chất làm lạnh điện trở nhiệt bao gồm khí [[nitơ lỏng]] (có thể hạ nhiệt độ lạnh xuống đến −80°C) hoặc hỗn hợp cacbon đioxit rắn–[[Axeton|aceton]] (có thể hạ xuống −50°C).<ref name="TCVN 12045 2017" />

Ưu điểm của ẩm kế ngưng tụ là phạm vi đo rộng, có độ chính xác cao và ổn định hơn các loại thiết bị đo độ ẩm khác. Ẩm kế ngưng tụ sử dụng [[Bơm nhiệt điện|giàn lạnh nhiệt điện]] (TEC) hai cấp có thể đo nhiệt độ ngưng sương xuống −35°C; còn ở hệ thống giàn lạnh bốn hoặc năm cấp, ẩm kế ngưng tụ có thể đo điểm sương xuống đến −80°C.<ref name="Space Microelectronics 1997 34">{{chú thích sách | title=Space Microelectronics | publisher=Center for Space Microelectronics Technology, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology | year=1997 | url=https://books.google.ca/books?id=xKhAfgHN02EC&pg=PA34 | page=34}}</ref> Những thiết bị ẩm kế dành cho phòng thí nghiệm và các ngành công nghiệp đặc biệt có thể đạt độ chính xác ±0,1°C; còn các ẩm kế ngưng tụ thông dụng có thể đạt độ chính xác ±0,2°C.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Phạm vi đo của ẩm kế ngưng tụ rất rộng, từ −80°C đến 100°C, có thể mở rộng tới 180°C.<ref name="Space Microelectronics 1997 34" /><ref name="LVD 2001 352" /> Ẩm kế ngưng tụ còn có ưu điểm là có thể làm việc trong môi trường [[ăn mòn]], như đo độ ẩm trong khí nhiên liệu.<ref name="LVD 2001 352">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn| 2001|p=352}}</ref>

Nhược điểm của ẩm kế ngưng tụ là cấu tạo phức tạp, giá thành cao hơn những thiết bị cùng loại và việc sử dụng–bảo trì thiết bị khó khăn nên ít được sử dụng đại trà trong công nghiệp, mà chủ yếu được dùng trong [[phòng thí nghiệm]] để định chuẩn. Ẩm kế ngưng tụ cần được vệ sinh và hiệu chuẩn thường xuyên bởi nhân viên kỹ thuật chuyên nghiệp, để duy trì các mức độ chính xác cao.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Ngoài ra, ẩm kế ngưng tụ rất dễ bị ảnh hưởng bởi tạp chất môi trường. Ngay cả trong môi trường làm việc rất sạch, vẫn có thể xuất hiện những tạp chất bẩn trên bề mặt gương, do vậy tác động đến việc ánh sáng thu nhận bởi đầu đọc và ảnh hưởng đến kết quả đo.<ref name="Wiederhold 1997 29">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=29}}</ref> Với ẩm kế ngưng tụ, [[Gradien nhiệt độ|gradient nhiệt độ]] và sự [[rò nhiệt]] cũng ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của đầu cảm biến. Do vậy, người ta sử dụng [[mạch PACER]] (''Programmable Automatic Contaminant Error Reduction'') giúp giảm sai sót do bụi bẩn, cho phép làm lạnh–nung nóng chính xác, vì vậy không cần cắt mạch để lau gương.<ref name="LVD 2001 351">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=351}}</ref>

=== Ẩm kế biến thiên trở kháng ===
Ẩm kế biến thiên trở kháng<ref name="LVD 2001 342">{{harvnb|Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=342}}</ref><ref name="NVH 2005 312">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=312}}</ref> là những loại cảm biến mà các phần tử nhạy là các chất hút ẩm. Các loại ẩm kế này hoạt động dựa trên tính chất điện (như [[điện trở]], [[điện dung]]) của các cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường. Khi độ ẩm môi trường thay đổi sẽ làm [[trở kháng]] của các cảm biến thay đổi theo (nên gọi là ''ẩm kế biến thiên trở kháng'').<ref name="Fraden 2015 511">{{harvnb|Fraden |2015 |p=511}}</ref> Các phần tử nhạy có kích thước nhỏ để giảm thời gian hồi đáp<ref name="Thời gian hồi đáp" /> của cảm biến. Các chất hút ẩm có khả năng hút nước phụ thuộc vào [[độ ẩm tương đối]] của không khí. Đầu đo độ ẩm có đặc tính điện là hàm số của lượng nước hấp thụ, hàm này phải ổn định theo thời gian, có tính chất thuận nghịch và tuyến tính.<ref name="LVD 2001 342" /> Ẩm kế biến thiên trở kháng được chia thành ba nhóm chính: ẩm kế điện trở, ẩm kế tụ điện điện môi polyme, và ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit Al2O3.

==== Ẩm kế điện trở ====
Ẩm kế điện trở (''resistive hygrometer'' hoặc ''hygristor''<ref name="Fraden 2015 515">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=515}}</ref>) sử dụng phần đế có kích thước nhỏ (vài mm2) được phủ chất hút ẩm và gắn hai [[điện cực]] bằng kim loại không bị ăn mòn và không bị oxy hóa. Giá trị [[điện trở]] đo được giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỉ số giữa khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của khí và nhiệt độ. Cảm biến của ẩm kế điện trở có thể sử dụng ở dải đo từ 5% đến 95% RH, với sai số ±2–5%. Dải nhiệt độ hoạt động của ẩm kế điện trở từ −10°C đến 60°C, thời gian hồi đáp khoảng 10 giây.<ref name="NVH 2005 313">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=313}}</ref> Ẩm kế điện trở ít bị ảnh hưởng ô nhiễm bởi môi trường đo do đó thường dùng trong các ngành công nghệ.<ref name="LVD 2001 343">{{harvnb|Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=343}}</ref>

==== Ẩm kế tụ điện điện môi polyme ====
Về cơ bản, '''ẩm kế tụ điện''' hay còn gọi là '''ẩm kế điện dung''' (''capacitive hygrometer'') hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng [[tụ điện]] để đo độ ẩm của không khí hoặc chất khí. Ẩm kế tụ điện cơ bản gồm hai bản cực tụ điện, giữa hai bản cực của tụ điện là không khí, được xem như [[Điện môi|chất điện môi]]. [[Hằng số điện môi]] ''ε'' và [[điện dung]] ''C'' tỉ lệ với độ ẩm tương đối ''H'' của không khí. Quan hệ giữa độ ẩm và hằng số điện môi được biểu diễn theo công thức:
:<math>\varepsilon = 1 + \frac{211}{T} \left (P + \frac{48 P_bh}{T} H \right) 10^{-6} </math>
Trong đó: ''T''–Nhiệt độ tuyệt đối (°K); ''P''–Áp suất của khí ẩm (mmHg); ''Pbh''–Áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ ''T'' (mmHg); ''H'' hoặc φ–Độ ẩm tương đối RH (%).<ref name="Fraden 2015 512">{{harvnb|Fraden |2015 |p=512}}</ref>

Ẩm kế tụ điện điện môi polyme gồm một màng [[polyme]] có độ dày 8–12μm làm bằng [[cellulose acetate butrate]] (CAB) có khả năng hấp thụ hơi nước và chất tạo dẻo làm bằng [[dimethylphthalate]]. Kích thước cảm biến màng polymer là 12×12mm.<ref name="Fraden 2015 512" /> Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là [[Tantan]] (Ta); sau đó phủ tiếp lên polyme một lớp [[Crom]] (Cr) (dày từ 10Å đến 100Å làm điện cực thứ hai. Lớp Crom gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí.<ref name="NVH 2005 314">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=314}}</ref> Một thiết kế khác của ẩm kế tụ điện polyme là người ta phủ điện cực bằng kim loại [[vàng]] (dày khoảng 200Å) bằng phương pháp phủ chân không (''vacuum deposition''). Thời gian hồi đáp của tụ điện phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi polyme. Điện dung ''C'' của tụ điện tỉ lệ với độ ẩm tương đối ''H'' theo công thức sau:
:<math>C_a \approx C_0 (1+ \alpha_{bh} H) </math>
Trong đó: ''C''0 là điện dung ở độ ẩm tương đối ''H'' = 0.<ref name="Fraden 2015 513">{{harvnb|Fraden |2015 |p=513}}</ref>

Với cảm biến tụ điện điện môi polyme, dải đo độ ẩm từ 5% đến 100% với sai số 2%.<ref name="Fraden 2010 449">{{harvnb|Fraden |2010 |p=449}}</ref> Dải nhiệt độ hoạt động từ −40°C đến 100°C, với sai số từ 2–3%. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây.<ref name="NVH 2005 314" />

==== Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit ====
Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit là tụ điện trong đó [[Nhôm oxit|Al2O3]] là chất điện môi được tạo ra bằng phương pháp Anot hóa với tấm nhôm được sử dụng làm điện cực thứ nhất của tụ. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo thành trên mặt kia của lớp điện môi.<ref name="Fraden 2010 452">{{harvnb|Fraden |2010 |pp=452-453}}</ref> Chiều dày lớp Al2O3 nhỏ hơn hoặc bằng 0,3μm. Sự thay đổi trở kháng của tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Quá trình Anot hóa được thực hiện bằng điện phân dung dịch [[Axit sulfuric|H2SO4]] với tấm nhôm làm cực dương (Anot). Oxy hình thành trên nhôm và oxy hóa bề mặt để tạo thành Al2O3. Lớp [[Nhôm oxit|oxit nhôm]] có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm. Điện cực thứ hai phủ lên lớp Al2O3 có thể dùng [[đồng]], [[vàng]], [[platin]], Niken–Crom, và nhôm.<ref name="NVH 2005 315" /> Cảm biến tụ điện nhôm oxit cho phép đo [[Điểm sương|nhiệt độ điểm sương]] TS trong phạm vi từ −80°C đến 70°C, dải áp suất làm việc từ 0 đến 100 Pa. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây. Cảm biến tụ điện nhôm oxit có nhược điểm không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn mòn như [[natri clorua]], [[lưu huỳnh]] v.v…<ref name="NVH 2005 315">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=315}}</ref>

=== Ẩm kế nhiệt ===
Ẩm kế nhiệt (''thermal hygrometer'') dựa trên nguyên tắc sự thay đổi của độ ẩm sẽ làm thay đổi [[độ dẫn nhiệt]] của không khí. Loại ẩm kế này chỉ đo [[độ ẩm tuyệt đối]] chứ không phải độ ẩm tương đối.<ref name="sensorsmag3">D.K. Roveti. [http://www.sensorsmag.com/sensors/humidity-moisture/choosing-a-humidity-sensor-a-review-three-technologies-840 Choosing a Humidity Sensor: A Review of Three Technologies]. Sensors Magazine (2001).</ref> Ẩm kế nhiệt sử dụng cảm biến nhiệt trở để xác định sự thay đổi độ dẫn nhiệt của khí, từ đó xác định độ ẩm tuyệt đối của khí. Ẩm kết nhiệt gồm hai [[điện trở nhiệt]] (''thermistor'') được treo bằng những sợi dây mỏng nhằm tránh thất thoát nhiệt qua sự truyền nhiệt tiếp xúc (dẫn nhiệt) với vỏ hộp thiết bị. Một trong hai điện trở nhiệt tiếp xúc với không khí bên ngoài qua một lỗ thông nhỏ; điện trở nhiệt còn lại được đặt trong buồng kín, tránh tiếp xúc với không khí. Cả hai điện trở nhiệt được nối trong một [[Cầu Wheatstone|mạch điện cầu]]. Khi có dòng điện chạy qua, hai điện trở nhiệt nóng lên, nhiệt độ lên tới 170°C cao hơn nhiệt độ không khí. Ban đầu, trong điều kiện khí khô, [[Cầu Wheatstone|mạch cầu Wheastone]] thiết lập giá trị tham chiếu là 0. Khi độ ẩm tuyệt đối tăng dần, giá trị điện thế ghi nhận ở cảm biến cũng tăng theo. Khi [[khối lượng riêng]] của khí bằng 150g/m3, giá trị điện thế cảm biến đạt điểm cực đại và giảm dần về bằng 0 khi trọng lượng riêng bằng 345g/m3. Đối với ẩm kế nhiệt, mẫu khí đo cần giữ tĩnh tại, tránh để luồng khí di chuyển để đạt độ chính xác. Vì luồng khí khi chuyển động đối lưu sẽ làm lạnh và gây sai số cho thiết bị đo.<ref name="Fraden 2015 516">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=516}}</ref>

=== Ẩm kế hấp thụ ===
[[Tập tin:Dunmore Hygrometer Sensor 1938.jpg|thumb|Thiết bị đo độ ẩm sáng chế bởi Francis Dunmore vào năm 1938]]
Ẩm kế hấp thụ<ref name="HMC 2007 161" /><ref name="NVH 2005 315" /> hay còn gọi là '''ẩm kế điện ly'''<ref name="LVD 2001 345">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001 |p=345}}</ref> (''electrolytic hygrometer'') hoạt động dựa trên hiện tượng hấp thụ hơi nước của một số chất như [[Liti clorua|Liti Clorua]] (LiCl) hoặc [[Phốtpho pentôxít|Anhyđrit Photphoric]] (P2O5). Các chất này có đặc tính khi ở trạng thái khô sẽ có giá trị [[điện trở]] rất cao; khi hút ẩm hơi nước từ môi trường xung quanh, điện trở giảm đáng kể. Sự thay đổi điện trở có thể đo bằng mạch điện, từ đó xác định được độ ẩm trong môi trường cần đo. Cảm biến điện ly đo độ ẩm đầu tiên được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Francis W. Dunmore vào năm 1938.<ref>{{cite journal |last1=Dunmore |first1=F. |date=1938| title=An Electric Hygrometer and Its Application to Radio Meteorography |url=https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/20/jresv20n6p723_A1b.pdf |publisher=|journal=Journal of Research of the National Bureau of Standards| volume=20|issue=|doi=|pp=723–744}}</ref> Đây là loại ẩm kế điện đầu tiên và duy nhất được sản xuất thương mại cho đến tận thập niên 1970.<ref name="Farahani Wagiran Hamidon 7881">{{cite journal | last=Farahani | first=H. | last2=Wagiran | first2=R. | last3=Hamidon | first3=M. | title=Humidity Sensors Principle, Mechanism, and Fabrication Technologies: A Comprehensive Review | url=https://www.researchgate.net/publication/262015128_Humidity_Sensors_Principle_Mechanism_and_Fabrication_Technologies_A_Comprehensive_Review | journal=Sensors | publisher=MDPI AG | volume=14 | issue=5 | date = ngày 30 tháng 4 năm 2014 | issn=1424-8220 | doi=10.3390/s140507881 | p=7885}}</ref>

Thiết kế của một ẩm kế điện ly sử dụng muối LiCl gồm hai [[điện cực]] kim loại được ngăn cách bởi một lớp vải [[sợi thủy tinh]] tẩm dung dịch bão hòa muối liti clorua (dung dịch điện ly). Hai điện cực nối với một [[Điện xoay chiều|nguồn điện xoay chiều]]. Khi dòng điện chạy qua sẽ làm dung dịch LiCl bị nung nóng, nước trong dung dịch bị bay hơi. Khi nước bay hơi hết, muối kết tinh có điện trở tăng mạnh, dòng điện giữa các điện cực giảm xuống đáng kể. Khi dòng điện bị giảm đi, nhiệt độ ở đầu đo giảm xuống, tinh thể LiCl lại hấp thụ nước, độ ẩm tăng, làm dòng điện tăng. Quá trình tiếp tục lặp lại cho đến khi trạng thái cân bằng giữa muối rắn LiCl và dung dịch được thiết lập. Khi đó, áp suất riêng phần của hơi nước trong mẫu khí tương ứng với áp suất phía trên dung dịch bão hòa LiCl ở cùng nhiệt độ.<ref name="Ferraro Godoy Turrent 2013 p. 47">{{chú thích sách | last=Ferraro | first=R. | last2=Godoy | first2=R. | last3=Turrent | first3=D. | title=Monitoring Solar Heating Systems: A Practical Handbook | publisher=Elsevier Science | year=2013 | isbn=978-1-4831-4071-1 | url=https://books.google.ca/books?id=7o4gBQAAQBAJ&pg=PA47 | page=47}}</ref> Trạng thái cân bằng này cũng giúp xác định [[Điểm sương|nhiệt độ điểm sương]]. Phần tử điều chỉnh của ẩm kế là liti clorua.<ref name="LVD 2001 348">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn | 2001|p=348}}</ref>

Đối với ẩm kế điện ly sử dụng Anhyđrit Photphoric (P2O5) làm chất hút ẩm, P2O5 khi tiếp xúc với hơi ẩm trong khí sẽ chuyển hóa thành dung dịch điện ly ([[axit phosphoric]] H3PO4). Dung dịch axit photphoric được điện phân liên tục và dòng điện được đo bởi cảm biến. Khi mẫu khí cần đo được thổi qua thiết bị đo với lưu lượng ổn định, dòng điện điện phân là một hàm số tuyến tính của nồng độ hơi nước.<ref name="IUPAC 2014 Electrolytic Hygrometer">{{chú thích web | title=Electrolytic Hygrometer (E01972) | website=IUPAC | date = ngày 24 tháng 2 năm 2014 | url=https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01972 | accessdate = ngày 13 tháng 7 năm 2020 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20190817211952/https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01972 | archivedate = ngày 17 tháng 8 năm 2019}}</ref>

Thời gian hồi đáp của ẩm kế điện ly LiCl tương đối lớn, cỡ hàng chục phút. Độ chính xác có thể đạt tới ±0,2°C. Phạm vi đo nhiệt độ điểm sương của các chất từ −10°C đến 60°C. Cảm biến không được dùng khi áp suất hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của LiCl, nghĩa là dưới 11% RH.<ref name="LVD 2001 348" />

=== Ẩm kế trọng lực ===

Ẩm kế trọng lực (''gravimetric hygrometer'') đo khối lượng của mẫu không khí so với thể tích không khí khô có cùng thể tích. Theo Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (NBS), đây là phương pháp xác định độ ẩm trong không khí có độ chính xác rất cao.<ref name="Wexler Hyland 1964">{{harvnb | Wexler | Hyland | 1964| p=3}}</ref> Ở các quốc gia như Mỹ, Anh, Châu Âu, Nhật Bản, đã phát triển các tiêu chuẩn quốc gia dựa trên loại ẩm kế này. Sự bất tiện của thiết bị này là nó thường chỉ được dùng để hiệu chuẩn các công cụ kém chính xác hơn, được gọi là Tiêu chuẩn chuyển giao (''transfer standards'').<ref name="Wiederhold 1997 167">{{harvnb | Wiederhold | 1997 |pp=167-168}}</ref>

=== Ẩm kế quang học ===

Ẩm kế quang học (''optical hygrometer'') hay còn gọi là '''ẩm kế hấp thụ quang''' (''optical absorption hygrometer''<ref name="Wiederhold 1997 113">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=113}}</ref>) đo sự hấp thụ ánh sáng của nước trong không khí.<ref>{{Chú thích web|url=http://glossary.ametsoc.org/wiki/Spectral_hygrometer|tựa đề=Spectral hygrometer - AMS Glossary|website=glossary.ametsoc.org|ngày truy cập=2019-01-16}}</ref> Ẩm kế hấp thụ quang hoạt động dựa trên hiện tượng hơi nước hấp thụ năng lượng bức xạ ở một dải ánh sáng hẹp, ở trường hợp các loại ẩm kế này là [[Tử ngoại|dải ánh sáng tử ngoại]].<ref name="Wiederhold 1997 113" /> Một bộ phát sáng và một bộ thu nhận ánh sáng được bố trí với một thể tích không khí giữa chúng. Đầu thu ánh sáng sẽ xác định được độ suy giảm của ánh sáng, tương ứng với độ ẩm, theo [[định luật Beer-Lambert]]. Ẩm kế quang học có thể chia thành các loại sau: [[ẩm kế Lyman-alpha]] (sử dụng [[ánh sáng Lyman-alpha]] phát ra từ [[hydro]]), [[ẩm kế krypton]] (sử dụng ánh sáng có [[bước sóng]] 123,58 nm do [[Krypton]] phát ra) và [[ẩm kế hấp thụ vi sai]] (sử dụng ánh sáng phát ra từ hai bước sóng khác nhau, một bước sóng bị hấp thụ bởi độ ẩm và bước sóng còn lại thì không bị hấp thụ). Thời gian hồi đáp của ẩm kế quang chỉ trong vòng vài [[mili giây]] (''ms''); phạm vi đo từ −80°C đến 40°C.<ref name="Wiederhold 1997 113" />

== Ứng dụng ==

Ngoài nhà kính và trong các ngành công nghiệp, ẩm kế có nhiều ứng dụng như [[Máy ấp trứng (trứng)|máy ấp trứng]], [[Phòng tắm hơi|phòng xông hơi]], [[hộp giữ ẩm]] và [[Viện bảo tàng|bảo tàng]]. Ẩm kế cũng được dùng trong việc chăm sóc các nhạc cụ bằng [[gỗ]] như [[Dương cầm|piano]], [[guitar]], [[Vĩ cầm|violin]] và [[Hạc cầm|đàn hạc]], vì những nhạc cụ này có thể bị hỏng do điều kiện độ ẩm không phù hợp. Máy đo độ ẩm đóng vai trò lớn trong việc chữa cháy vì độ ẩm tương đối càng thấp, nhiên liệu có thể cháy dữ dội hơn.<ref name="FireFighterToolBox 2013">{{chú thích web | title=How Does Humidity Impact Firefighting? | date = ngày 9 tháng 11 năm 2013 | url=https://www2.firefightertoolbox.com/humidity-impact-firefighting/| archiveurl= https://web.archive.org/web/20191229090113/https://www2.firefightertoolbox.com/humidity-impact-firefighting/| archivedate = ngày 29 tháng 12 năm 2019}}</ref> Trong môi trường dân cư, ẩm kế được sử dụng để hỗ trợ kiểm soát độ ẩm (độ ẩm quá thấp có thể làm hỏng da và cơ thể con người, trong khi độ ẩm quá cao tạo điều kiện cho [[nấm mốc]] và [[mạt bụi nhà]] phát triển). Máy đo độ ẩm cũng được sử dụng trong ngành sơn vì [[sơn]] và các chất phủ khác có thể rất nhạy cảm với độ ẩm và [[điểm sương]].

== Khó khăn về độ chính xác ==

Đo độ ẩm là một trong những vấn đề khó khăn trong ngành kỹ thuật đo lường. Theo Hướng dẫn của [[Tổ chức Khí tượng Thế giới]] (WMO), "Độ chính xác có thể đạt được [để xác định độ ẩm] được liệt kê trong bảng đề cập đến các dụng cụ chất lượng tốt được vận hành và bảo trì tốt. Trong thực tế, những điều này không dễ đạt được." Hai nhiệt kế có thể được so sánh bằng cách ngâm cả hai trong một bình nước cách nhiệt (hoặc cồn nếu muốn nhiệt độ dưới điểm đóng băng của nước) và khuấy mạnh để giảm thiểu sự thay đổi nhiệt độ. Một nhiệt kế thủy tinh (''liquid-in-glass thermometer'') chất lượng cao nếu được sử dụng và giữ gìn cẩn thận sẽ hoạt động ổn định trong vài năm. Máy đo độ ẩm phải được hiệu chuẩn trong không khí, đây là môi trường truyền nhiệt kém hiệu quả hơn nhiều so với nước và nhiều loại có thể bị sai lệch<ref>[http://www.veriteq.com/download/whitepaper/catching-the-drift.pdf catching the drift]</ref> vì vậy cần phải hiệu chuẩn lại thường xuyên. Một khó khăn nữa là hầu hết các máy ẩm kế chỉ đo độ ẩm tương đối thay vì độ ẩm tuyệt đối, nhưng độ ẩm tương đối là một hàm số của cả nhiệt độ và độ ẩm tuyệt đối, do đó, sự thay đổi nhiệt độ nhỏ trong không khí trong buồng thử nghiệm sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi độ ẩm tương đối.

Trong môi trường lạnh và ẩm, sự thăng hoa của băng (nước đá) có thể xảy ra trên đầu cảm biến, cho dù cảm biến đó là tóc, điểm sương, gương, phần tử cảm biến điện dung hay nhiệt kế bầu khô của ẩm kế khô-ướt. Băng trên đầu dò khớp với độ ẩm bão hòa đối với băng ở nhiệt độ đó, tức là điểm sương. Tuy nhiên, một máy đo độ ẩm thông thường không thể đo chính xác dưới điểm sương, và cách duy nhất để giải quyết vấn đề cơ bản này là sử dụng đầu dò độ ẩm được làm nóng.<ref name="Makkonen">{{harvnb| Makkonen | Laakso | 2005 | pages=131–147}}</ref>

== Tiêu chuẩn hiệu chuẩn ==

=== Hiệu chuẩn ẩm kế khô-ướt ===

Hiệu chuẩn chính xác của nhiệt kế được sử dụng là cơ bản để xác định độ ẩm chính xác bằng phương pháp khô-ướt. Các nhiệt kế phải được bảo vệ khỏi nhiệt bức xạ và phải có một luồng không khí đủ cao trên bóng đèn ướt để có kết quả chính xác nhất. Một trong những loại máy đo độ ẩm bóng đèn khô chính xác nhất được phát minh vào cuối thế kỷ 19 bởi [[Richard Assmann|Adolph Richard Aßmann]] (1845–1918);<ref>"[http://www.uni-magdeburg.de/mbl/Biografien/1452.htm Aßmann, Adolph Richard]" by Guido Heinrich</ref> thường được gọi là [[Ẩm kế Assmann]]. Trong thiết bị này, mỗi nhiệt kế được treo trong một ống kim loại đánh bóng thẳng đứng và ống đó lần lượt được treo trong ống kim loại thứ hai có đường kính lớn hơn một chút; những ống đôi này dùng để cách ly nhiệt kế khỏi nguồn nhiệt bức xạ. Không khí được hút qua các ống bằng quạt được điều khiển bởi cơ chế đồng hồ để đảm bảo tốc độ phù hợp (một số phiên bản hiện đại sử dụng quạt điện có điều khiển tốc độ điện tử).<ref name="smith">"[http://www.sil.si.edu/SmithsonianContributions/HistoryTechnology/text/SSHT-0002.txt Smithsonian Catalog of Meteorological Instruments in the Museum of History and Technology]" Prepared by W. E. Knowles Middleton</ref> Theo Middleton, năm 1966, "một điểm cốt yếu là không khí được hút giữa các ống đồng tâm, cũng như qua ống bên trong".<ref name="Middleton 1966">{{harvnb| Middleton| 1966 | p=236}}</ref>

Để đo được sự giảm nhiệt độ tối đa về mặt lý thuyết của nhiệt độ bầu ướt là rất khó khăn, đặc biệt là ở độ ẩm tương đối thấp. Một nghiên cứu của Úc vào cuối những năm 1990 đã phát hiện ra rằng nhiệt kế bầu ướt ấm hơn so với lý thuyết dự đoán, ngay cả khi đã thực hiện các biện pháp ngăn chặn đáng kể;<ref>[http://www.wmo.int/pages/prog/www/IMOP/WebPortal-AWS/Tests/ITR648.pdf The Practical Impacts of RTD and Thermometer Design on Wet and Dry Bulb Relative Humidity Measurements] – Bureau of Meteorology, Melbourne (''Cục Khí tượng Thành phố Melbourne'') (1998).</ref> những điều này có thể dẫn đến kết quả đọc giá trị [[Độ ẩm tương đối|RH]] cao hơn từ 2 đến 5%.

Một giải pháp đôi khi được sử dụng để đo độ ẩm chính xác khi nhiệt độ không khí dưới điểm đông là sử dụng lò sưởi điện được kiểm soát nhiệt độ để tăng nhiệt độ của không khí bên ngoài lên trên điểm đông. Trong cách sắp xếp này, một chiếc quạt hút không khí bên ngoài qua (1) nhiệt kế để đo nhiệt độ bầu khô xung quanh, (2) [[Yếu tố làm nóng|phần tử gia nhiệt]], (3) nhiệt kế thứ hai để đo nhiệt độ bầu khô của không khí nóng, sau đó cuối cùng (4) một nhiệt kế bầu ướt. Theo Hướng dẫn của [[Tổ chức Khí tượng Thế giới]], "Nguyên tắc của ẩm kế được làm nóng là hàm lượng hơi nước của một khối không khí không thay đổi nếu được nung nóng. Đặc tính này có thể được dùng cho ẩm kế khô-ướt bằng cách tránh việc phải duy trì một bầu nhiệt trong điều kiện dưới điểm đông."<ref name="WMOGUIDE">{{Chú thích web|url=http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf|tựa đề= WMO Guide To Meteorological Instruments And Methods Of Observation (Seventh edition, 2008), Chapter 4: Humidity, section 4.2.5: Heated psychrometer." World Meteorological Organization |url lưu trữ= https://www.webcitation.org/6E9CzPWoA?url=http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf |ngày lưu trữ=ngày 3 tháng 2 năm 2013| ngày truy cập=ngày 3 tháng 2 năm 2013}}</ref>

Do độ ẩm của không khí xung quanh được tính gián tiếp từ ba phép đo nhiệt độ, nên trong hiệu chuẩn nhiệt kế chính xác của thiết bị như vậy thậm chí còn quan trọng hơn so với cách sắp xếp hai bầu nhiệt độ.

=== Hiệu chuẩn muối bão hòa ===

Các nhà nghiên cứu khác nhau<ref>[http://www.omega.co.uk/temperature/z/pdf/z103.pdf Salt Calibration of Hygrometers]</ref> đã nghĩ ra việc sử dụng các dung dịch muối bão hòa để hiệu chuẩn ẩm kế. Hỗn hợp của một số muối và nước cất có đặc tính là chúng duy trì độ ẩm gần như không đổi trong một thùng chứa kín. Bể chứa muối bão hòa ([[Natri clorua]]) khi đạt ổn định sẽ có độ ẩm khoảng 75%. Các muối khác có mức độ ẩm cân bằng khác: [[Liti clorua]] ~ 11%; [[Magie clorua|Magiê clorua]] ~ 33%; [[Kali cacbonat]] ~ 43%; [[Kali sunfat|Kali sulfat]] ~ 97%. Các dung dịch muối có nhược điểm là độ ẩm sẽ thay đổi theo nhiệt độ và mất nhiều thời gian để đạt đến trạng thái cân bằng. Nhưng với ưu điểm dễ sử dụng, những dung dịch muối được dùng trong các ứng dụng có độ chính xác thấp, chẳng hạn như kiểm tra độ ẩm cơ học và điện tử.

== Xem thêm ==

* [[Trạm thời tiết sân bay tự động]]
* [[Dewcell]]
* [[Bộ điều khiển độ ẩm]]
* [[Phân tích độ ẩm]]
* [[Cảm biến độ ẩm đất]]

== Chú thích ==
{{tham khảo|2}}

== Tham khảo ==
*{{cite journal | last=Bullynck | first=Maarten | title=Johann Heinrich Lambert's Scientific Tool Kit, Exemplified by His Measurement of Humidity, 1769–1772 | journal=Science in Context | volume=23 | issue=1 | date = ngày 26 tháng 1 năm 2010 | url= https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document | archiveurl=https://web.archive.org/web/20181103164408/https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document | archivedate = ngày 3 tháng 11 năm 2018 | issn=1474-0664 | doi=10.1017/S026988970999024X | pages=65–89 | ref=harv }}
*{{Chú thích sách|last=Draper| first=John William| url=https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC|title=A Textbook on Chemistry| publisher=Harper & Bros.| year=1861| page=[https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC/page/n69 55] | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Fraden | first=Jacob | title=Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications | publisher=Springer New York | year=2010 | isbn=978-1-4419-6466-3 | url=https://books.google.ca/books?id=W0Emv9dAJ1kC | page= | ref=harv }}
*{{chú thích sách | last=Fraden | first=Jacob | title=Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications | publisher=Springer International Publishing | year=2015 | isbn=978-3-319-19303-8 | url=https://books.google.ca/books?id=BovDCgAAQBAJ | doi=10.1007/978-3-319-19303-8 | pp=507-523 | ref=harv }}
*{{Chú thích sách| last=Gorse| first=C.| last2=Johnston| first2=D.| last3=Pritchard| first3=M.| url=https://books.google.com/books?id=Z6tGBAAAQBAJ&pg=PT960|title=A Dictionary of Construction, Surveying, and Civil Engineering| publisher=OUP Oxford| year=2012| isbn=978-0-19-104494-6| series=Oxford Quick Reference|page=960 |ref=harv }}
*{{Chú thích sách| last=Hamblyn| first=Richard| url=https://books.google.com/books?id=HbajgFGBrTEC| title=The Invention of Clouds: How an Amateur Meteorologist Forged the Language of the Skies| publisher=Pan Macmillan|year=2010| isbn=978-0-330-39195-5| publication-date=ngày 4 tháng 6 năm 2010| pages=16–17 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách| author=Hoàng Minh Công | date=2007 | title=Giáo trình Cảm biến công nghiệp | url= | location=Hà Nội | publisher=Nhà xuất bản Xây dựng | isbn=| pp= 159-163 | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Korotcenkov | first=Ghenadii | url=https://www.routledgehandbooks.com/pdf/doi/10.1201/b22370-3 | title=Handbook of Humidity Measurement | chapter=Mechanical (Hair) Hygrometer | publisher=CRC Press | date = ngày 25 tháng 1 năm 2019 | isbn=978-0-203-73188-8 | doi=10.1201/b22370-3 | pages=23–29 | ref=harv}}
*{{chú thích sách |author1=Lê Văn Doanh| author2=Phạm Thượng Hàn| date=2001 |title= Các Bộ Cảm Biến Trong Kỹ thuật Đo Lường Và Điều Khiển |url=|location=|publisher=Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật |isbn= | pp=341-354| ref=harv}}
*{{cite journal | last=Makkonen | first=Lasse | last2=Laakso | first2=Timo | url=https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10546-004-7955-y | title=Humidity Measurements in Cold and Humid Environments | journal=Boundary-Layer Meteorology | publisher=Springer Science and Business Media LLC | volume=116 | issue=1 | year=2005 | issn=0006-8314 | doi=10.1007/s10546-004-7955-y | pages=131–147 | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Middleton | first=W.E.K. | title=A History of the Thermometer and Its Use in Meteorology | publisher=Johns Hopkins University Press | year=1966 | url=https://books.google.ca/books?id=PApRAAAAMAAJ | page=236| ref=harv}}
*{{chú thích sách |author= Nguyễn Văn Hòa | date=2005 | title=Giáo trình Đo lường điện và Cảm biến đo lường | url= | location=Hà Nội | publisher=Nhà xuất bản Giáo dục | isbn=| pp= 311-320 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách| last=Selin| first=Helaine| url=https://archive.org/details/encyclopaediahis00seli| title=Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Western Cultures| publisher=Springer|year=2008|isbn=978-1-4020-4559-2| edition=2nd| publication-date=ngày 16 tháng 4 năm 2008| page=[https://archive.org/details/encyclopaediahis00seli/page/n752 736] | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Teague | first=K.A. | last2=Gallicchio | first2=N. | title=The Evolution of Meteorology: A Look into the Past, Present, and Future of Weather Forecasting | publisher=Wiley | year=2017 | isbn=978-1-119-13615-6 | url=https://books.google.ca/books?id=KNPbDgAAQBAJ&pg=PA12 | pp=12-13 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách | tác giả= Wexler| tên=Arnold| tác giả 2=Hyland| tên 2=Richard W.| date=1964| url=https://archive.org/details/nbsstandardhygro73wexl| tựa đề=The NBS standard hygrometer| nhà xuất bản=National Bureau of Standards – United States Department of Commerce | ref=harv}}
*{{ Chú thích sách | last=Wiederhold | first=P.R. | title=Water Vapor Measurement: Methods and Instrumentation | publisher=Taylor & Francis | year=1997 | isbn=978-0-8247-9319-7 | url=https://books.google.ca/books?id=mm5YY1nOJF4C | pp=27-41 | ref=harv}}

[[Thể loại:Dụng cụ và thiết bị khí tượng học]]
[[Thể loại:Nhiệt động lực học khí quyển]]

Ẩm kế

2021-03-03T01:06:58Z

Ltn: /* Các loại ẩm kế hiện đại */

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Haar-Hygrometer.jpg|thumb|Ẩm kế tóc với thang đo phi tuyến tính.]]

'''Ẩm kế''' (tiếng Anh: ''hygrometer'') hay '''máy đo độ ẩm''', là một dụng cụ dùng để đo lượng [[hơi nước]] trong không khí, trong đất hoặc trong vùng không gian hạn chế. Những dụng cụ đo [[độ ẩm]] thường dựa vào kết quả đo của một số đại lượng khác như nhiệt độ, áp suất, khối lượng, sự thay đổi cơ học hoặc điện trong một chất khi độ ẩm được hấp thụ. Bằng cách hiệu chuẩn và tính toán, các đại lượng đo này dùng để tính ra độ ẩm. Các thiết bị điện tử hiện đại sử dụng nhiệt độ ngưng tụ (gọi là [[điểm sương]]) hoặc thay đổi [[điện dung]] hoặc [[Điện dung|điện]] [[Điện trở|trở]] để đo sự thay đổi độ ẩm. Máy đo độ ẩm đơn giản đầu tiên được phát minh bởi nhà toán học người Đức, [[Hồng y|Hồng Y]] [[Nicholas xứ Cusa]], vào khoảng năm 1450, và một phiên bản hiện đại hơn đã được tạo ra bởi nhà khoa học người Thụy Sĩ [[Johann Heinrich Lambert]] vào năm 1755.{{sfn | Bullynck | 2010 | pp=65–89}} Sau đó, vào năm 1783, nhà vật lý và địa chất người Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]] đã phát minh ra ẩm kế đầu tiên sử dụng tóc người để đo độ ẩm.

Lượng hơi nước tối đa có thể được giữ trong một thể tích không khí nhất định ([[Độ ẩm tương đối|bão hòa]]) thay đổi theo nhiệt độ; không khí lạnh chứa khối lượng nước trên một đơn vị thể tích ít hơn không khí nóng. Nhiệt độ có thể thay đổi độ ẩm. Hầu hết các thiết bị đo tương ứng với (hoặc được hiệu chuẩn để đọc) [[độ ẩm tương đối]] (RH), là lượng nước tương đối với mức tối đa ở một nhiệt độ cụ thể được biểu thị bằng phần trăm.

==Lịch sử==

Máy ẩm kế sơ khai đầu tiên được phát minh vào triều đại [[nhà Thương]] ở Trung Quốc cổ đại dùng để nghiên cứu thời tiết.<ref name="Hamblyn 2010 16–17">{{harvnb | Hamblyn | 2010| pp=16-17}}</ref> Người Trung Quốc đã sử dụng một thanh than, cân trọng lượng khô, rồi so với trọng lượng ẩm của nó sau khi tiếp xúc một thời gian với không khí. Sự chênh lệch về trọng lượng dùng để tính độ ẩm. Cho đến đầu [[thế kỷ 15]], những nhà khoa học ở Châu Âu mới bắt đầu nghiên cứu và thiết kế những dụng cụ ẩm kế cơ học đầu tiên. Vào khoảng năm 1450, nhà toán học người Đức, [[Hồng y|Hồng Y]] [[Nicholas xứ Cusa]], đã có ý tưởng thiết kế một thiết bị mà ông gọi là ẩm kế hút ẩm (''hygroscopic hygrometer'').<ref>Ngày nay tên dụng cụ nghiệm ẩm (''hygroscope'') không còn được sử dụng, nhưng khái niệm về hiện tượng nghiệm ẩm (''hygroscopy'') và tính hút ẩm (''hygroscopic'') xuất phát từ thuật ngữ dụng cụ nghiệm ẩm mà Nicholas xứ Cusa sử dụng. ({{harvnb| Korotcenkov | 2019 | p=24}})</ref> Thiết bị này sử dụng một chiếc cân với một đầu treo một cuộn len và đầu còn lại treo một viên đá. Chiếc cân sẽ cân bằng khi không khí khô. Khi không khí trở nên ẩm ướt hơn, tức độ ẩm không khí tăng lên; [[len]] là vật liệu rỗng xốp, nên dễ dàng hút ẩm trong không khí và khối lượng sẽ tăng lên, làm chiếc cân nghiêng về phía cuộn len. Triết gia người Ý, [[Leone Battista Alberti]], đã đề nghị sử dụng bọt biển thay thế cuộn len, vì bọt biển cũng có tính chất hút ẩm tương tự len.<ref name="Istituto">{{chú thích web | title=Hygrometer | website=Istituto e Museo di Storia della Scienza | date = ngày 27 tháng 2 năm 2008 | url=https://brunelleschi.imss.fi.it/itineraries/multimedia/Hygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Tuy nhiên, không có bằng chứng chính xác nào chứng minh việc Hồng y [[Nicholas xứ Cusa]] đã thực sự làm ra một chiếc ẩm kế cuộn len như ý tưởng của ông. Cho đến năm 1481, nhà khoa học [[Leonardo da Vinci|Leonardo de Vinci]] được ghi nhận là đã ứng dụng ý tưởng này để tạo ra chiếc ẩm kế đầu tiên.<ref name="Teague12">{{harvnb | Teague | Gallicchio | 2017 | p=12}}</ref> Trong gần hai thế kỷ sau đó, thiết kế máy đo độ ẩm không có sự cải tiến nào đáng kể so với loại ẩm kế hút ẩm này.

Đến những năm thập niên 1650, [[Ferdinando II de' Medici, Đại Công tước xứ Toscana|Ferdinand II de Medici, Đại Công tước xứ Toscana]], đã sáng chế ra ẩm kế ngưng tụ (''condensation hygrometer'') đầu tiên. Ẩm kế này bao gồm một ống hình trụ chứa [[Băng|nước đá]]; hơi ẩm khi gặp bề mặt lạnh của ống nước đá sẽ ngưng tụ thành dạng lỏng và chảy vào ống đong đặt bên dưới. Lượng nước thu được trong ống đong–trong một khoảng thời gian nhất định– cho biết độ ẩm của không khí.<ref name="Ferdinand’s hygrometer">{{chú thích web | title=Condensation hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/CondensationHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Đến năm 1660, [[Francesco Folli]], một nhà khoa học người Ý, đã sáng chế ra loại ẩm kế bằng dải ruy-băng giấy mà ông gọi là "thiết bị hiển thị độ ẩm" ([[tiếng Ý]]: ''mostra umidaria'').<ref name="Teague12" /> Folli sử dụng một thanh gỗ dài, với dải ruy-băng giấy được kẹp bởi hai đầu thanh gỗ. Ở giữa thanh gỗ có một thanh đồng dựng thẳng để sợi giấy đi qua, đồng thời liên kết với kim đồng hồ chỉ thị. Dải giấy đóng vai trò là chất hút ẩm; khi độ ẩm trong không khí thay đổi, chiều dài dải ruy-băng giấy cũng thay đổi theo, làm quay kim chỉ thị bằng đồng ở giữa, thể hiện độ ẩm không khí.<ref name="Folli’s hygrometer">{{chú thích web | title=Folli's paper-ribbon hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/FollisPaperribbonHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Cũng cùng khoảng thời gian đó, nhà toán học người Ý [[Vincenzo Viviani]] cũng thiết kế một dụng cụ ẩm kế dùng dải ruy-băng giấy tương tự với Folli.<ref name="Viviani's hygrometer">{{chú thích web | title=Viviani's paper-ribbon hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/VivianisPaperribbonHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Năm 1687, nhà vật lý người Pháp, [[Guillaume Amontons]], thiết kế một dụng cụ ẩm kế bằng ống thủy tinh đứng, dài 1 mét, dưới đáy ống đặt một túi da chứa [[thủy ngân]].<ref name="Istituto" /><ref name="Korotcenkov26">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | p=26}}</ref>

Năm 1755, nhà khoa học thiên tài người Thụy Sĩ, [[Johann Heinrich Lambert]], tạo ra dụng cụ ẩm kế bằng [[Dây thừng|sợi thừng]] mỏng quấn quanh một thanh kim loại. Khi độ ẩm không khí thay đổi, sợi thừng thay đổi chiều dài và thay đổi độ xoắn; độ xoắn của sợi thừng sẽ làm kim chỉ thị xoay cho biết giá trị độ ẩm.{{sfn | Bullynck | 2010 | pp=65–89}} Năm 1769, Lambert công bố tác phẩm nghiên cứu khoa học đầu tiên về ẩm trắc học (''hygrometry'') và ẩm kế. Lambert không chỉ muốn [[nghiên cứu định lượng]] bằng các phép tính toán học về độ ẩm, mà ông còn muốn tìm ra điều kiện mà độ ẩm xảy ra để từ đó có thể dự đoán trước giá trị độ ẩm. Ông định nghĩa về [[độ ẩm]] như sau:
{{Quote
|text=Độ ẩm trong không khí là khối lượng, hay nói chính xác hơn là trọng lượng<ref>[https://www.nyu.edu/pages/mathmol/textbook/weightvmass.html So sánh khối lượng (''mass'') và trọng lượng (''weight'').]</ref> của tất cả vật chất ở thể khí đang lơ lửng trong một thể tích nhất định (ví dụ, trong 1 [[foot khối]]<ref>{{convert|1|cuft|m3|abbr=on}}</ref> không khí).
|author=Johann Heinrich Lambert<ref>Nguyên văn: ''The degree of humidity of air is the mass or better even the weight of all aqueous particles that float in a certain volume (e.g. in a cubic foot of air).'' ([https://web.archive.org/web/20181103164408/https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document Bullynck 2010])</ref>
}}

Năm 1783 (có tài liệu cho rằng năm 1775<ref name="Teague13">{{harvnb | Teague | Gallicchio | 2017 | p=13}}</ref>), [[Horace Benedict de Saussure]], nhà vật lý người Thụy Sĩ, đã phát minh ra ẩm kế tóc (''hair hygrometer'') đầu tiên; loại ẩm kế này vẫn được sử dụng đến ngày nay. Ẩm kế của Saussure hoạt động dựa trên tính chất của tóc sẽ thay đổi chiều dài theo độ ẩm tương đối trong không khí.<ref name="Korotcenkov2324">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=23–24}}</ref> Đến năm 1820, [[John Frederic Daniell]] (1790–1845), nhà hóa học người Anh, sáng chế ra ẩm kế điểm sương (''dew-point hygrometer'') đầu tiên<ref name="Daniell">{{chú thích web | title=John Frederic Daniell | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/biography/John-Frederic-Daniell | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref>; đến năm 1845 thì hoàn thiện hơn bởi [[Henri Victor Regnault]].<ref name="Regnault">{{chú thích web | title=Henri-Victor Regnault | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/biography/Henri-Victor-Regnault | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Ẩm kế điểm sương do Daniell phát minh sử dụng một tấm kim loại phẳng bóng được làm lạnh dưới điều kiện đẳng áp cho đến khi hơi nước ngưng tụ và đọng trên bề mặt gương kim loại – nhiệt độ đó gọi là [[điểm sương]].<ref name="Teague13" />

== Các loại ẩm kế kiểu truyền thống ==

=== Ẩm kế loại cuộn giấy–kim loại ===
Ẩm kế cuộn giấy–kim loại (''metal-paper coil hygrometer'') rất hữu ích để thể hiện sự thay đổi độ ẩm bằng dụng cụ chỉ thị kim số. Loại ẩm kế này thường thấy ở các thiết bị rẻ tiền và có độ chính xác thấp, với sai số từ 10% trở lên.<ref name="Korotcenkov2627" /> Ẩm kế cuộn giấy–kim loại có cấu tạo gồm một dải ruy-băng giấy được dán dính với một miếng kim loại dát mỏng; toàn bộ dải giấy–kim loại này xếp thành cuộn hình xoắn ốc. Một đầu của cuộn dây xoắn ốc gắn cố định; đầu còn lại gắn vào kim số chỉ thị. Khi độ ẩm thay đổi, cuộn giấy hình xoắn ốc sẽ uốn cong do sự thay đổi độ dài của giấy khi hấp thu hơi nước. Kim số sẽ hiển thị độ ẩm trên thang đo đồng hồ ẩm kế.<ref name="Korotcenkov2627">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=26–27}}</ref>

=== Ẩm kế tóc ===
[[Tập tin:HygrometerSaussure.jpg|nhỏ| Bản vẽ mô hình ẩm kế tóc thiết kế bởi nhà vật lý Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]]]]

Ẩm kế tóc<ref name="SGKVL 10 2007 214" /> (''hair hygrometer'') là dụng cụ đo độ ẩm sử dụng tóc người hoặc lông động vật dựa vào tính chất thay đổi chiều dài theo độ ẩm trong không khí. Tóc có tính hút ẩm và giữ độ ẩm; độ dài của tóc thay đổi theo độ ẩm và sự thay đổi độ dài có thể được phóng to bằng cơ cấu truyền động và được thể hiện trên mặt kim số hoặc thước đo. Năm 1783, nhà vật lý và nhà địa chất người Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]] đã chế tạo ẩm kế tóc đầu tiên bằng cách sử dụng tóc người.<ref name="Saussure hair hygrometer">{{chú thích web | title=Saussure hair hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/SaussureHairHygrometer.html | accessdate = ngày 6 tháng 7 năm 2020}}</ref> Thiết bị dự báo thời tiết dân gian truyền thống có tên ngôi nhà thời tiết (''weather house'') được hoạt động dựa trên nguyên tắc của ẩm kế tóc.<ref name="Korotcenkov24">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=24}}</ref>

Ẩm kế tóc có ưu điểm là thiết kế và nguyên lý hoạt động đơn giản, chi phí thấp, dễ sử dụng, phù hợp trong những điều kiện không quá khắc nghiệt (như độ ẩm quá cao hoặc quá thấp). Một trong những nhược điểm của ẩm kế tóc là độ chính xác không cao do sự thay đổi chiều dài của tóc [[Tuyến tính|không tuyến tính]] với độ ẩm. Khi độ ẩm tăng lên, chiều dài sợi tóc sẽ thay đổi nhiều hơn so với khi độ ẩm giảm đi. Qua thực nghiệm, độ nhạy của sợi tóc khi độ ẩm tăng lên sẽ lớn hơn từ 5% đến 6% so với khi độ ẩm giảm xuống.<ref name="Korotcenkov2526">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=25–26}}</ref> Ngoài ra, ẩm kế tóc có [[hiện tượng trễ]] (''hysteresis'') và thời gian phản hồi phụ thuộc vào nhiệt độ. Thời gian phản hồi<ref name="Thời gian hồi đáp">Thời gian phản hồi hay thời gian hồi đáp (tiếng Anh: ''response time'') là khoảng thời gian để cảm biến đo độ ẩm trong ẩm kế phản hồi kết quả khi độ ẩm thay đổi.</ref> của ẩm kế tóc ở 20{{nbsp}}°C là 10 giây và ở –30{{nbsp}}°C là 30 giây. Ẩm kế tóc cũng dễ bị ảnh hưởng bởi các tác nhân nhiễm bẩn từ môi trường, như [[bụi]], [[amoniac]], [[dầu]]. Để khắc phục độ trễ của ẩm kế tóc, tóc được quấn thành cuộn để tóc bị dẹp lại, tạo tiết diện mặt cắt hình [[Elíp|elip]]. Khi đó, tỉ lệ [[diện tích bề mặt]] trên một đơn vị thể tích của tóc sẽ tăng lên và giảm hệ số độ trễ, đồng thời tăng tính [[tuyến tính]] cho ẩm kế. Nếu tóc được xử lý hóa chất với cồn, [[diethyl ether]]<ref>{{harvnb| Draper | 1861 | page=[https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC/page/n69 55]}}</ref>, [[bari sulfua]] (BaS) hoặc [[Natri sunfua|natri sulfua]] (Na2S)<ref name="Korotcenkov2526" /> để loại bỏ những chất dầu có trong tóc nhằm tăng độ phản hồi tuyến tính và độ chính xác cho ẩm kế.

Qua thực nghiệm, [[độ ẩm tương đối]] (RH) trong khoảng 20%–90% là phù hợp nhất đối với ẩm kế tóc. Cũng giống các thiết bị ẩm kế khác, ẩm kế tóc hoạt động chính xác nhất trong khoảng giữa của thang đo độ ẩm; trong khoảng 40%–60% RH ở nhiệt độ phòng, độ chính xác của ẩm kế tóc là ± 2–3% RH. Ngoài khoảng đó, độ chính xác của ẩm kế tóc giảm dần. Ngoài ra, độ chính xác của ẩm kế tóc còn bị ảnh hưởng vào nhiều yếu tố khác như tính chất các loại tóc/lông khác nhau, sai số do cơ cấu truyền động bên trong ẩm kế, điều kiện môi trường. Ví dụ, ẩm kế tóc không nên đặt ở những vị trí có luồng không khí thay đổi vận tốc liên tục mà nên ở những nơi có vận tốc khí ổn định.<ref name="Korotcenkov2526" />

=== Ẩm kế khô–ướt ===
[[Tập tin:Stevenson screen interior.JPG|thumb|Phần bên trong của [[Màn hình Stevenson|khung Stevenson]] hiển thị một máy đo ẩm kế khô-ướt]]

Ẩm kế khô–ướt<ref name="SGKVL 10 2007 214">{{chú thích sách | author= Bộ Giáo dục Đào tạo Việt Nam |date= 2007 |title=Vật lí 10 | url=https://drive.google.com/file/d/1p1-YClI_dhfTu0Ju5Fvs7F3oWSPWt8O2/view |location=|publisher= Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam |edition=1| pp=214-215}}</ref> hay còn gọi là '''ẩm kế bốc hơi ẩm'''<ref name="HMC 2007 162">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=162}}</ref> (tiếng Anh: ''psychrometer'') dùng để đo [[độ ẩm tương đối]] của không khí. Ẩm kế khô–ướt có thiết kế gồm hai nhiệt kế: nhiệt kế bầu khô (''dry-bulb thermometer'') và nhiệt kế bầu ướt<ref name="TCVN 6576 2013" /> (''wet-bulb thermometer''). Trên đầu đo của nhiệt kế bầu ướt có bọc một lớp bông hoặc vải thấm nước để giữ ẩm. Nhiệt kế bầu khô (''tk'') chỉ nhiệt độ của không khí và nhiệt kế bầu ướt (''ta'') chỉ nhiệt độ bay hơi của nước ở trạng thái bão hòa. Ở nhiệt độ cao hơn điểm đông của nước, nước bay hơi nhờ ẩn nhiệt hóa hơi, làm giảm nhiệt độ, do đó nhiệt kế bầu ướt sẽ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt kế bầu khô. Khi đó giữa hai đầu đo có chênh lệch nhiệt độ ({{math|Δ''t''{{=}} ''tk''−''ta''}}). Nếu không khí càng khô thì nước bốc hơi càng mạnh, nhiệt độ đầu đo của nhiệt kế ướt càng giảm. Dựa vào chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nhiệt kế sẽ xác định được độ ẩm tương đối của không khí.

[[Tập tin:Daniell hygrometer-MHS 2191-P4070317-gradient.jpg|thumb|left|upright=0.8|Máy ẩm kế khô–ướt có lẽ được sản xuất tại Thụy Sĩ vào khoảng năm 1850 bởi Kappeller ([[Musée d'histoire des sc khoa de la Ville de Genève|MHS Geneva]])]]

Độ ẩm tương đối cũng có thể được xác định bằng đồ thị trạng thái của không khí ẩm hay còn gọi là đồ thị độ ẩm (''humidity chart'' hoặc ''psychrometric chart''). Có hai loại đồ thị độ ẩm phổ biến: đồ thị d-t và đồ thị I-d. ''Đồ thị d-t'' còn được biết đến với tên là đồ thị Grosvenor (''Grosvenor chart'') theo tên của hai kỹ sư thiết lập nên đồ thị này đầu tiên.<ref name="Keey 1991">{{chú thích sách | last=Keey | first=R.B. | title=Drying Of Loose And Particulate Materials | publisher=Taylor & Francis | year=1991 | isbn=978-0-89116-878-2 | url=https://books.google.ca/books?id=CYELHT3DQuEC&pg=PA141 | accessdate = ngày 8 tháng 7 năm 2020 | pp=141-142}}</ref> Đồ thị d-t biểu thị mối quan hệ của các đại lượng [[độ chứa hơi]] (d), [[nhiệt độ]] (t), [[Entanpi|entanpy]] không khí ẩm (I), [[độ ẩm tương đối]] (RH hoặc φ), [[thể tích riêng]] (v), [[Nhiệt hiện|hệ số nhiệt hiện]] (SHR<ref name="TCVN 6576 2013">Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6576:2013 (ISO 5151:2010) về Máy điều hoà không khí và bơm nhiệt không ống gió – Thử và đánh giá tính năng.</ref>). ''Đồ thị I-d'' thường được nhắc đến trong tiếng Anh là ''Mollier-Ramzin chart'' do đặt theo tên của hai kỹ sư Mollier (người Đức) và Ramzin (người Nga) thiết lập nên đồ thị lần đầu tiên.<ref name="Keey 1991" /> Đồ thị I-d biểu thị mối quan hệ của các đại lượng entanpy (I), độ chứa hơi (d), nhiệt độ (t), độ ẩm tương đối (RH hoặc φ), và [[Áp suất riêng phần|áp suất hơi nước riêng phần]] (ph) của không khí ẩm. Áp suất hơi nước riêng phần trong các mẫu khí là áp suất hơi bão hòa ứng với điểm sương được quan sát và khí trong ẩm kế có cùng áp suất với khí tại thời điểm lấy mẫu.<ref name="TCVN 12045 2017">{{citeweb | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-12045-2017-iso-6327-1981-phan-tich-khi-xac-dinh-diem-suong-theo-nuoc-am-ke#van-ban-goc | title=Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12045:2017 (ISO 6327:1981) về Phân tích khí – Xác định điểm sương theo nước của khí thiên nhiên – Âm kế ngưng tụ bề mặt lạnh | accessdate = ngày 9 tháng 7 năm 2020}}</ref>

Ẩm kế khô–ướt thường được sử dụng trong ngành [[khí tượng học]] và trong ngành công nghiệp [[điện lạnh]] để sạc [[Chất làm lạnh|môi chất lạnh]] thích hợp cho các hệ thống điều hòa không khí dân dụng và thương mại.

=== Ẩm kế quay ===
[[Tập tin:Sling psychrometer.JPG|thumb|Ẩm kế quay dùng để sử dụng ngoài trời]]

Ẩm kế quay (''sling psychrometer'' hoặc ''whirling psychrometer'') về cơ bản có cùng nguyên lý hoạt động với ẩm kế khô–ướt. Ẩm kế quay gồm hai nhiệt kế bầu khô (không bọc vải) và bầu ướt (bọc vải) được gắn song song với nhau trong một khung gỗ; một đầu khung gỗ gắn tay cầm. Khi sử dụng, bầu bọc vải được thấm nước, rồi dùng tay cầm quay trong không khí cho đến khi nhiệt độ trên hai nhiệt kế bằng nhau. Theo tiêu chuẩn ASTM E337–15 của Hoa Kỳ, phương pháp đo bằng ẩm kế quay phù hợp trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 5 °C đến 50 °C, nhiệt độ bầu ướt không được dưới 1 °C, và áp suất môi trường chênh lệch với áp suất không khí tiêu chuẩn không quá 30%.<ref name="ASTM E337–2015">{{chú thích web | title=ASTM E337–15 Standard Test Method for Measuring Humidity with a Psychrometer (the Measurement of Wet- and Dry-Bulb Temperatures)| website=ASTM International ([[ASTM Quốc tế]]) | date = ngày 1 tháng 7 năm 2015 | url=https://www.astm.org/Standards/E337.htm }}</ref>

== Các loại ẩm kế hiện đại ==

=== Ẩm kế ngưng tụ ===

Ẩm kế ngưng tụ<ref name="LVD 2001 349">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|pp=349-350}}</ref><ref name="HMC 2007 160">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=160}}</ref>, hay còn gọi là '''ẩm kế gương lạnh''', '''ẩm kế quang'''<ref name="NVH 2005 319">{{harvnb |Nguyễn Văn Hòa | 2005 | p=319}}</ref>, '''ẩm kế điểm sương gương lạnh''' (''chilled-mirror dew point hygrometer'')<ref name="Wiederhold 1997 27">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=27}}</ref>, là một trong những loại ẩm kế chính xác nhất, đáng tin cậy nhất, do đó, thường được sử dụng để định chuẩn.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Ẩm kế ngưng tụ hoạt động dựa trên nguyên tắc đo điểm sương. [[Điểm sương]] (''dew point'') là nhiệt độ mà tại đó, hơi nước trong hỗn hợp khí đạt đến trạng thái bão hòa, độ ẩm tương đôi trong không khí đạt đến 100%, hơi nước mất nhiệt ẩn hóa hơi và bắt đầu ngưng tụ.<ref name="Turns 2006 592">{{chú thích sách | last=Turns | first=S.R. | title=Thermodynamics: Concepts and Applications | publisher=Cambridge University Press | year=2006 | isbn=978-0-521-85042-1 | url=https://books.google.ca/books?id=fy5hs04OeMQC&pg=PA592 | accessdate = ngày 9 tháng 7 năm 2020 | page=592}}</ref><ref name="Heldman 2003 186">{{chú thích sách | last=Heldman | first=D.R. | title=Encyclopedia of Agricultural, Food, and Biological Engineering (Print) | publisher=Taylor & Francis | series=Dekker Encyclopedias Series | year=2003 | isbn=978-0-8247-0938-9 | url=https://books.google.ca/books?id=fCRpUZzT2hMC&pg=PA186 | page=186}}</ref>

Nguyên lý hoạt động cơ bản của ẩm kế là sử dụng một gương kim loại bằng [[đồng]] phủ kim loại [[rhođi|rhodi]] hoặc [[vàng]] có nhiệt độ bề mặt được điều chỉnh chính xác nhờ một thiết bị làm lạnh nhiệt điện (''thermo-electric cooler'' - TEC) hoặc [[Bơm nhiệt điện|bơm nhiệt Peltier]]. Tia sáng mạnh chiếu từ nguồn sáng ([[LED|đèn LED]]) đập tới gương [[phản xạ]] chiếu tới đầu thu là một tế bào [[quang dẫn]] (''photo-transistor''). Mẫu khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và bề mặt gương được làm lạnh dần cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ. Khi lớp sương xuất hiện, ánh sáng bị [[tán xạ]] tới đầu thu quang, giảm lượng sáng đo được bởi đầu thu. Do vậy, đầu thu quang dẫn sẽ kích thích bộ điều khiển phát tín hiệu để bơm nhiệt bên dưới gương hoạt động và làm nóng gương. Gương bị nung nóng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng, chu kỳ làm lạnh mới lại bắt đầu.<ref name="Wiederhold 1997 28">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=28}}</ref> Chu kỳ tiếp tục cho đến khi tạo thành trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ, khi đó lớp ngưng tụ có độ dày xác định. Để đo nhiệt độ gương, sử dụng cảm biến đo nhiệt độ kiểu điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu.<ref name="HMC 2007 161">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=161}}</ref> Ẩm kế ngưng tụ có hệ thống [[ghép quang]] (''optocoupler'') bên trên gồm đèn LED và đầu thu quang dẫn dùng để bù trôi. Hệ thống ghép quang dưới mặt gương dùng để đo độ phản xạ của gương. Cảm biến được cân bằng quang nhờ bộ chắn ánh sáng của bộ ghép quang phía trên.<ref name="Fraden 2015 518">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=518}}</ref> Tốc độ làm lạnh bề mặt gương thông thường không được quá 1{{nbsp}}°C một phút.<ref name="TCVN 12045 2017" />

Ẩm kế ngưng tụ được sử dụng phổ biến từ đầu thập kỷ 1960 do lúc đó, thiết bị bơm nhiệt điện và hệ thống đầu thu quang điện đã phát triển mạnh. Trước thập kỷ 1960, ẩm kế ngưng tụ chủ yếu được sử dụng trong các phòng thí nghiệm do việc sử dụng môi chất làm lạnh rất khó kiểm soát nhiệt độ và việc phát hiện hơi nước ngưng tụ chủ yếu bằng mắt thường.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Theo [[Tiêu chuẩn quốc gia (Việt Nam)|Tiêu chuẩn Quốc gia]] [[TCVN 12045:2017]] (ISO 6327:1981), có hai nhóm phương pháp làm lạnh bề mặt gương: tự động và không tự động. Phương pháp làm lạnh không tự động đòi hỏi sự chú ý liên tục từ người vận hành, như làm lạnh [[Quá trình đoạn nhiệt|đoạn nhiệt]] (khí [[Cacbon điôxít|CO2]] nén trong bình, được xả lên mặt gương, khí CO2 giãn nở qua vòi phun và hạ nhiệt độ) hoặc dùng ống thổi [[Dung môi|dung môi bay hơi]] ([[etylen oxit]] – C2H4O). Phương pháp dùng thiết bị tự động bao gồm phương pháp tiếp xúc gián tiếp với [[chất làm lạnh]] qua [[điện trở nhiệt]] và [[bơm nhiệt điện]] ([[Hiệu ứng nhiệt điện|hiệu ứng Peltier]]). Chất làm lạnh điện trở nhiệt bao gồm khí [[nitơ lỏng]] (có thể hạ nhiệt độ lạnh xuống đến −80°C) hoặc hỗn hợp cacbon đioxit rắn–[[Axeton|aceton]] (có thể hạ xuống −50°C).<ref name="TCVN 12045 2017" />

Ưu điểm của ẩm kế ngưng tụ là phạm vi đo rộng, có độ chính xác cao và ổn định hơn các loại thiết bị đo độ ẩm khác. Ẩm kế ngưng tụ sử dụng [[Bơm nhiệt điện|giàn lạnh nhiệt điện]] (TEC) hai cấp có thể đo nhiệt độ ngưng sương xuống −35°C; còn ở hệ thống giàn lạnh bốn hoặc năm cấp, ẩm kế ngưng tụ có thể đo điểm sương xuống đến −80°C.<ref name="Space Microelectronics 1997 34">{{chú thích sách | title=Space Microelectronics | publisher=Center for Space Microelectronics Technology, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology | year=1997 | url=https://books.google.ca/books?id=xKhAfgHN02EC&pg=PA34 | page=34}}</ref> Những thiết bị ẩm kế dành cho phòng thí nghiệm và các ngành công nghiệp đặc biệt có thể đạt độ chính xác ±0,1°C; còn các ẩm kế ngưng tụ thông dụng có thể đạt độ chính xác ±0,2°C.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Phạm vi đo của ẩm kế ngưng tụ rất rộng, từ −80°C đến 100°C, có thể mở rộng tới 180°C.<ref name="Space Microelectronics 1997 34" /><ref name="LVD 2001 352" /> Ẩm kế ngưng tụ còn có ưu điểm là có thể làm việc trong môi trường [[ăn mòn]], như đo độ ẩm trong khí nhiên liệu.<ref name="LVD 2001 352">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn| 2001|p=352}}</ref>

Nhược điểm của ẩm kế ngưng tụ là cấu tạo phức tạp, giá thành cao hơn những thiết bị cùng loại và việc sử dụng–bảo trì thiết bị khó khăn nên ít được sử dụng đại trà trong công nghiệp, mà chủ yếu được dùng trong [[phòng thí nghiệm]] để định chuẩn. Ẩm kế ngưng tụ cần được vệ sinh và hiệu chuẩn thường xuyên bởi nhân viên kỹ thuật chuyên nghiệp, để duy trì các mức độ chính xác cao.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Ngoài ra, ẩm kế ngưng tụ rất dễ bị ảnh hưởng bởi tạp chất môi trường. Ngay cả trong môi trường làm việc rất sạch, vẫn có thể xuất hiện những tạp chất bẩn trên bề mặt gương, do vậy tác động đến việc ánh sáng thu nhận bởi đầu đọc và ảnh hưởng đến kết quả đo.<ref name="Wiederhold 1997 29">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=29}}</ref> Với ẩm kế ngưng tụ, [[Gradien nhiệt độ|gradient nhiệt độ]] và sự [[rò nhiệt]] cũng ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của đầu cảm biến. Do vậy, người ta sử dụng [[mạch PACER]] (''Programmable Automatic Contaminant Error Reduction'') giúp giảm sai sót do bụi bẩn, cho phép làm lạnh–nung nóng chính xác, vì vậy không cần cắt mạch để lau gương.<ref name="LVD 2001 351">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=351}}</ref>

=== Ẩm kế biến thiên trở kháng ===
Ẩm kế biến thiên trở kháng<ref name="LVD 2001 342">{{harvnb|Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=342}}</ref><ref name="NVH 2005 312">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=312}}</ref> là những loại cảm biến mà các phần tử nhạy là các chất hút ẩm. Các loại ẩm kế này hoạt động dựa trên tính chất điện (như [[điện trở]], [[điện dung]]) của các cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường. Khi độ ẩm môi trường thay đổi sẽ làm [[trở kháng]] của các cảm biến thay đổi theo (nên gọi là ''ẩm kế biến thiên trở kháng'').<ref name="Fraden 2015 511">{{harvnb|Fraden |2015 |p=511}}</ref> Các phần tử nhạy có kích thước nhỏ để giảm thời gian hồi đáp<ref name="Thời gian hồi đáp" /> của cảm biến. Các chất hút ẩm có khả năng hút nước phụ thuộc vào [[độ ẩm tương đối]] của không khí. Đầu đo độ ẩm có đặc tính điện là hàm số của lượng nước hấp thụ, hàm này phải ổn định theo thời gian, có tính chất thuận nghịch và tuyến tính.<ref name="LVD 2001 342" /> Ẩm kế biến thiên trở kháng được chia thành ba nhóm chính: ẩm kế điện trở, ẩm kế tụ điện điện môi polyme, và ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit Al2O3.

==== Ẩm kế điện trở ====
Ẩm kế điện trở (''resistive hygrometer'' hoặc ''hygristor''<ref name="Fraden 2015 515">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=515}}</ref>) sử dụng phần đế có kích thước nhỏ (vài mm2) được phủ chất hút ẩm và gắn hai [[điện cực]] bằng kim loại không bị ăn mòn và không bị oxy hóa. Giá trị [[điện trở]] đo được giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỉ số giữa khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của khí và nhiệt độ. Cảm biến của ẩm kế điện trở có thể sử dụng ở dải đo từ 5% đến 95% RH, với sai số ±2–5%. Dải nhiệt độ hoạt động của ẩm kế điện trở từ −10°C đến 60°C, thời gian hồi đáp khoảng 10 giây.<ref name="NVH 2005 313">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=313}}</ref> Ẩm kế điện trở ít bị ảnh hưởng ô nhiễm bởi môi trường đo do đó thường dùng trong các ngành công nghệ.<ref name="LVD 2001 343">{{harvnb|Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=343}}</ref>

==== Ẩm kế tụ điện điện môi polyme ====
Về cơ bản, '''ẩm kế tụ điện''' hay còn gọi là '''ẩm kế điện dung''' (''capacitive hygrometer'') hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng [[tụ điện]] để đo độ ẩm của không khí hoặc chất khí. Ẩm kế tụ điện cơ bản gồm hai bản cực tụ điện, giữa hai bản cực của tụ điện là không khí, được xem như [[Điện môi|chất điện môi]]. [[Hằng số điện môi]] ''ε'' và [[điện dung]] ''C'' tỉ lệ với độ ẩm tương đối ''H'' của không khí. Quan hệ giữa độ ẩm và hằng số điện môi được biểu diễn theo công thức:
:<math>\varepsilon = 1 + \frac{211}{T} \left (P + \frac{48 P_bh}{T} H \right) 10^{-6} </math>
Trong đó: ''T''–Nhiệt độ tuyệt đối (°K); ''P''–Áp suất của khí ẩm (mmHg); ''Pbh''–Áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ ''T'' (mmHg); ''H'' hoặc φ–Độ ẩm tương đối RH (%).<ref name="Fraden 2015 512">{{harvnb|Fraden |2015 |p=512}}</ref>

Ẩm kế tụ điện điện môi polyme gồm một màng [[polyme]] có độ dày 8–12μm làm bằng [[cellulose acetate butrate]] (CAB) có khả năng hấp thụ hơi nước và chất tạo dẻo làm bằng [[dimethylphthalate]]. Kích thước cảm biến màng polymer là 12×12mm.<ref name="Fraden 2015 512" /> Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là [[Tantan]] (Ta); sau đó phủ tiếp lên polyme một lớp [[Crom]] (Cr) (dày từ 10Å đến 100Å làm điện cực thứ hai. Lớp Crom gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí.<ref name="NVH 2005 314">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=314}}</ref> Một thiết kế khác của ẩm kế tụ điện polyme là người ta phủ điện cực bằng kim loại [[vàng]] (dày khoảng 200Å) bằng phương pháp phủ chân không (''vacuum deposition''). Thời gian hồi đáp của tụ điện phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi polyme. Điện dung ''C'' của tụ điện tỉ lệ với độ ẩm tương đối ''H'' theo công thức sau:
:<math>C_a \approx C_0 (1+ \alpha_{bh} H) </math>
Trong đó: ''C''0 là điện dung ở độ ẩm tương đối ''H'' = 0.<ref name="Fraden 2015 513">{{harvnb|Fraden |2015 |p=513}}</ref>

Với cảm biến tụ điện điện môi polyme, dải đo độ ẩm từ 5% đến 100% với sai số 2%.<ref name="Fraden 2010 449">{{harvnb|Fraden |2010 |p=449}}</ref> Dải nhiệt độ hoạt động từ −40°C đến 100°C, với sai số từ 2–3%. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây.<ref name="NVH 2005 314" />

==== Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit ====
Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit là tụ điện trong đó [[Nhôm oxit|Al2O3]] là chất điện môi được tạo ra bằng phương pháp Anot hóa với tấm nhôm được sử dụng làm điện cực thứ nhất của tụ. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo thành trên mặt kia của lớp điện môi.<ref name="Fraden 2010 452">{{harvnb|Fraden |2010 |pp=452-453}}</ref> Chiều dày lớp Al2O3 nhỏ hơn hoặc bằng 0,3μm. Sự thay đổi trở kháng của tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Quá trình Anot hóa được thực hiện bằng điện phân dung dịch [[Axit sulfuric|H2SO4]] với tấm nhôm làm cực dương (Anot). Oxy hình thành trên nhôm và oxy hóa bề mặt để tạo thành Al2O3. Lớp [[Nhôm oxit|oxit nhôm]] có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm. Điện cực thứ hai phủ lên lớp Al2O3 có thể dùng [[đồng]], [[vàng]], [[platin]], Niken–Crom, và nhôm.<ref name="NVH 2005 315" /> Cảm biến tụ điện nhôm oxit cho phép đo [[Điểm sương|nhiệt độ điểm sương]] TS trong phạm vi từ −80°C đến 70°C, dải áp suất làm việc từ 0 đến 100 Pa. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây. Cảm biến tụ điện nhôm oxit có nhược điểm không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn mòn như [[natri clorua]], [[lưu huỳnh]] v.v…<ref name="NVH 2005 315">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=315}}</ref>

=== Ẩm kế nhiệt ===
Ẩm kế nhiệt (''thermal hygrometer'') dựa trên nguyên tắc sự thay đổi của độ ẩm sẽ làm thay đổi [[độ dẫn nhiệt]] của không khí. Loại ẩm kế này chỉ đo [[độ ẩm tuyệt đối]] chứ không phải độ ẩm tương đối.<ref name="sensorsmag3">D.K. Roveti. [http://www.sensorsmag.com/sensors/humidity-moisture/choosing-a-humidity-sensor-a-review-three-technologies-840 Choosing a Humidity Sensor: A Review of Three Technologies]. Sensors Magazine (2001).</ref> Ẩm kế nhiệt sử dụng cảm biến nhiệt trở để xác định sự thay đổi độ dẫn nhiệt của khí, từ đó xác định độ ẩm tuyệt đối của khí. Ẩm kết nhiệt gồm hai [[điện trở nhiệt]] (''thermistor'') được treo bằng những sợi dây mỏng nhằm tránh thất thoát nhiệt qua sự truyền nhiệt tiếp xúc (dẫn nhiệt) với vỏ hộp thiết bị. Một trong hai điện trở nhiệt tiếp xúc với không khí bên ngoài qua một lỗ thông nhỏ; điện trở nhiệt còn lại được đặt trong buồng kín, tránh tiếp xúc với không khí. Cả hai điện trở nhiệt được nối trong một [[Cầu Wheatstone|mạch điện cầu]]. Khi có dòng điện chạy qua, hai điện trở nhiệt nóng lên, nhiệt độ lên tới 170°C cao hơn nhiệt độ không khí. Ban đầu, trong điều kiện khí khô, [[Cầu Wheatstone|mạch cầu Wheastone]] thiết lập giá trị tham chiếu là 0. Khi độ ẩm tuyệt đối tăng dần, giá trị điện thế ghi nhận ở cảm biến cũng tăng theo. Khi [[khối lượng riêng]] của khí bằng 150g/m3, giá trị điện thế cảm biến đạt điểm cực đại và giảm dần về bằng 0 khi trọng lượng riêng bằng 345g/m3. Đối với ẩm kế nhiệt, mẫu khí đo cần giữ tĩnh tại, tránh để luồng khí di chuyển để đạt độ chính xác. Vì luồng khí khi chuyển động đối lưu sẽ làm lạnh và gây sai số cho thiết bị đo.<ref name="Fraden 2015 516">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=516}}</ref>

=== Ẩm kế hấp thụ ===
[[Tập tin:Dunmore Hygrometer Sensor 1938.jpg|thumb|Thiết bị đo độ ẩm sáng chế bởi Francis Dunmore vào năm 1938]]
Ẩm kế hấp thụ<ref name="HMC 2007 161" /><ref name="NVH 2005 315" /> hay còn gọi là '''ẩm kế điện ly'''<ref name="LVD 2001 345">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001 |p=345}}</ref> (''electrolytic hygrometer'') hoạt động dựa trên hiện tượng hấp thụ hơi nước của một số chất như [[Liti clorua|Liti Clorua]] (LiCl) hoặc [[Phốtpho pentôxít|Anhyđrit Photphoric]] (P2O5). Các chất này có đặc tính khi ở trạng thái khô sẽ có giá trị [[điện trở]] rất cao; khi hút ẩm hơi nước từ môi trường xung quanh, điện trở giảm đáng kể. Sự thay đổi điện trở có thể đo bằng mạch điện, từ đó xác định được độ ẩm trong môi trường cần đo. Cảm biến điện ly đo độ ẩm đầu tiên được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Francis W. Dunmore vào năm 1938.<ref>{{cite journal |last1=Dunmore |first1=F. |date=1938| title=An Electric Hygrometer and Its Application to Radio Meteorography |url=https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/20/jresv20n6p723_A1b.pdf |publisher=|journal=Journal of Research of the National Bureau of Standards| volume=20|issue=|doi=|pp=723–744}}</ref> Đây là loại ẩm kế điện đầu tiên và duy nhất được sản xuất thương mại cho đến tận thập niên 1970.<ref name="Farahani Wagiran Hamidon 7881">{{cite journal | last=Farahani | first=H. | last2=Wagiran | first2=R. | last3=Hamidon | first3=M. | title=Humidity Sensors Principle, Mechanism, and Fabrication Technologies: A Comprehensive Review | url=https://www.researchgate.net/publication/262015128_Humidity_Sensors_Principle_Mechanism_and_Fabrication_Technologies_A_Comprehensive_Review | journal=Sensors | publisher=MDPI AG | volume=14 | issue=5 | date = ngày 30 tháng 4 năm 2014 | issn=1424-8220 | doi=10.3390/s140507881 | p=7885}}</ref>

Thiết kế của một ẩm kế điện ly sử dụng muối LiCl gồm hai [[điện cực]] kim loại được ngăn cách bởi một lớp vải [[sợi thủy tinh]] tẩm dung dịch bão hòa muối liti clorua (dung dịch điện ly). Hai điện cực nối với một [[Điện xoay chiều|nguồn điện xoay chiều]]. Khi dòng điện chạy qua sẽ làm dung dịch LiCl bị nung nóng, nước trong dung dịch bị bay hơi. Khi nước bay hơi hết, muối kết tinh có điện trở tăng mạnh, dòng điện giữa các điện cực giảm xuống đáng kể. Khi dòng điện bị giảm đi, nhiệt độ ở đầu đo giảm xuống, tinh thể LiCl lại hấp thụ nước, độ ẩm tăng, làm dòng điện tăng. Quá trình tiếp tục lặp lại cho đến khi trạng thái cân bằng giữa muối rắn LiCl và dung dịch được thiết lập. Khi đó, áp suất riêng phần của hơi nước trong mẫu khí tương ứng với áp suất phía trên dung dịch bão hòa LiCl ở cùng nhiệt độ.<ref name="Ferraro Godoy Turrent 2013 p. 47">{{chú thích sách | last=Ferraro | first=R. | last2=Godoy | first2=R. | last3=Turrent | first3=D. | title=Monitoring Solar Heating Systems: A Practical Handbook | publisher=Elsevier Science | year=2013 | isbn=978-1-4831-4071-1 | url=https://books.google.ca/books?id=7o4gBQAAQBAJ&pg=PA47 | page=47}}</ref> Trạng thái cân bằng này cũng giúp xác định [[Điểm sương|nhiệt độ điểm sương]]. Phần tử điều chỉnh của ẩm kế là liti clorua.<ref name="LVD 2001 348">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn | 2001|p=348}}</ref>

Đối với ẩm kế điện ly sử dụng Anhyđrit Photphoric (P2O5) làm chất hút ẩm, P2O5 khi tiếp xúc với hơi ẩm trong khí sẽ chuyển hóa thành dung dịch điện ly ([[axit phosphoric]] H3PO4). Dung dịch axit photphoric được điện phân liên tục và dòng điện được đo bởi cảm biến. Khi mẫu khí cần đo được thổi qua thiết bị đo với lưu lượng ổn định, dòng điện điện phân là một hàm số tuyến tính của nồng độ hơi nước.<ref name="IUPAC 2014 Electrolytic Hygrometer">{{chú thích web | title=Electrolytic Hygrometer (E01972) | website=IUPAC | date = ngày 24 tháng 2 năm 2014 | url=https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01972 | accessdate = ngày 13 tháng 7 năm 2020 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20190817211952/https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01972 | archivedate = ngày 17 tháng 8 năm 2019}}</ref>

Thời gian hồi đáp của ẩm kế điện ly LiCl tương đối lớn, cỡ hàng chục phút. Độ chính xác có thể đạt tới ±0,2°C. Phạm vi đo nhiệt độ điểm sương của các chất từ −10°C đến 60°C. Cảm biến không được dùng khi áp suất hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của LiCl, nghĩa là dưới 11% RH.<ref name="LVD 2001 348" />

=== Ẩm kế trọng lực ===

Ẩm kế trọng lực (''gravimetric hygrometer'') đo khối lượng của mẫu không khí so với thể tích không khí khô có cùng thể tích. Theo Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (NBS), đây là phương pháp xác định độ ẩm trong không khí có độ chính xác rất cao.<ref name="Wexler Hyland 1964">{{harvnb | Wexler | Hyland | 1964| p=3}}</ref> Ở các quốc gia như Mỹ, Anh, Châu Âu, Nhật Bản, đã phát triển các tiêu chuẩn quốc gia dựa trên loại ẩm kế này. Sự bất tiện của thiết bị này là nó thường chỉ được dùng để hiệu chuẩn các công cụ kém chính xác hơn, được gọi là Tiêu chuẩn chuyển giao (''transfer standards'').<ref name="Wiederhold 1997 167">{{harvnb | Wiederhold | 1997 |pp=167-168}}</ref>

=== Ẩm kế quang học ===

Ẩm kế quang học (''optical hygrometer'') hay còn gọi là '''ẩm kế hấp thụ quang''' (''optical absorption hygrometer''<ref name="Wiederhold 1997 113">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=113}}</ref>) đo sự hấp thụ ánh sáng của nước trong không khí.<ref>{{Chú thích web|url=http://glossary.ametsoc.org/wiki/Spectral_hygrometer|tựa đề=Spectral hygrometer - AMS Glossary|website=glossary.ametsoc.org|ngày truy cập=2019-01-16}}</ref> Ẩm kế hấp thụ quang hoạt động dựa trên hiện tượng hơi nước hấp thụ năng lượng bức xạ ở một dải ánh sáng hẹp, ở trường hợp các loại ẩm kế này là [[Tử ngoại|dải ánh sáng tử ngoại]].<ref name="Wiederhold 1997 113" /> Một bộ phát sáng và một bộ thu nhận ánh sáng được bố trí với một thể tích không khí giữa chúng. Đầu thu ánh sáng sẽ xác định được độ suy giảm của ánh sáng, tương ứng với độ ẩm, theo [[định luật Beer-Lambert]]. Ẩm kế quang học có thể chia thành các loại sau: [[ẩm kế Lyman-alpha]] (sử dụng [[ánh sáng Lyman-alpha]] phát ra từ [[hydro]]), [[ẩm kế krypton]] (sử dụng ánh sáng có [[bước sóng]] 123,58 nm do [[Krypton]] phát ra) và [[ẩm kế hấp thụ vi sai]] (sử dụng ánh sáng phát ra từ hai bước sóng khác nhau, một bước sóng bị hấp thụ bởi độ ẩm và bước sóng còn lại thì không bị hấp thụ). Thời gian hồi đáp của ẩm kế quang chỉ trong vòng vài [[mili giây]] (''ms''); phạm vi đo từ −80°C đến 40°C.<ref name="Wiederhold 1997 113" />

== Ứng dụng ==

Ngoài nhà kính và trong các ngành công nghiệp, ẩm kế có nhiều ứng dụng như [[Máy ấp trứng (trứng)|máy ấp trứng]], [[Phòng tắm hơi|phòng xông hơi]], [[hộp giữ ẩm]] và [[Viện bảo tàng|bảo tàng]]. Ẩm kế cũng được dùng trong việc chăm sóc các nhạc cụ bằng [[gỗ]] như [[Dương cầm|piano]], [[guitar]], [[Vĩ cầm|violin]] và [[Hạc cầm|đàn hạc]], vì những nhạc cụ này có thể bị hỏng do điều kiện độ ẩm không phù hợp. Máy đo độ ẩm đóng vai trò lớn trong việc chữa cháy vì độ ẩm tương đối càng thấp, nhiên liệu có thể cháy dữ dội hơn.<ref name="FireFighterToolBox 2013">{{chú thích web | title=How Does Humidity Impact Firefighting? | date = ngày 9 tháng 11 năm 2013 | url=https://www2.firefightertoolbox.com/humidity-impact-firefighting/| archiveurl= https://web.archive.org/web/20191229090113/https://www2.firefightertoolbox.com/humidity-impact-firefighting/| archivedate = ngày 29 tháng 12 năm 2019}}</ref> Trong môi trường dân cư, ẩm kế được sử dụng để hỗ trợ kiểm soát độ ẩm (độ ẩm quá thấp có thể làm hỏng da và cơ thể con người, trong khi độ ẩm quá cao tạo điều kiện cho [[nấm mốc]] và [[mạt bụi nhà]] phát triển). Máy đo độ ẩm cũng được sử dụng trong ngành sơn vì [[sơn]] và các chất phủ khác có thể rất nhạy cảm với độ ẩm và [[điểm sương]].

== Khó khăn về độ chính xác ==

Đo độ ẩm là một trong những vấn đề khó khăn trong ngành kỹ thuật đo lường. Theo Hướng dẫn của [[Tổ chức Khí tượng Thế giới]] (WMO), "Độ chính xác có thể đạt được [để xác định độ ẩm] được liệt kê trong bảng đề cập đến các dụng cụ chất lượng tốt được vận hành và bảo trì tốt. Trong thực tế, những điều này không dễ đạt được." Hai nhiệt kế có thể được so sánh bằng cách ngâm cả hai trong một bình nước cách nhiệt (hoặc cồn nếu muốn nhiệt độ dưới điểm đóng băng của nước) và khuấy mạnh để giảm thiểu sự thay đổi nhiệt độ. Một nhiệt kế thủy tinh (''liquid-in-glass thermometer'') chất lượng cao nếu được sử dụng và giữ gìn cẩn thận sẽ hoạt động ổn định trong vài năm. Máy đo độ ẩm phải được hiệu chuẩn trong không khí, đây là môi trường truyền nhiệt kém hiệu quả hơn nhiều so với nước và nhiều loại có thể bị sai lệch<ref>[http://www.veriteq.com/download/whitepaper/catching-the-drift.pdf catching the drift]</ref> vì vậy cần phải hiệu chuẩn lại thường xuyên. Một khó khăn nữa là hầu hết các máy ẩm kế chỉ đo độ ẩm tương đối thay vì độ ẩm tuyệt đối, nhưng độ ẩm tương đối là một hàm số của cả nhiệt độ và độ ẩm tuyệt đối, do đó, sự thay đổi nhiệt độ nhỏ trong không khí trong buồng thử nghiệm sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi độ ẩm tương đối.

Trong môi trường lạnh và ẩm, sự thăng hoa của băng (nước đá) có thể xảy ra trên đầu cảm biến, cho dù cảm biến đó là tóc, điểm sương, gương, phần tử cảm biến điện dung hay nhiệt kế bầu khô của ẩm kế khô-ướt. Băng trên đầu dò khớp với độ ẩm bão hòa đối với băng ở nhiệt độ đó, tức là điểm sương. Tuy nhiên, một máy đo độ ẩm thông thường không thể đo chính xác dưới điểm sương, và cách duy nhất để giải quyết vấn đề cơ bản này là sử dụng đầu dò độ ẩm được làm nóng.<ref name="Makkonen">{{harvnb| Makkonen | Laakso | 2005 | pages=131–147}}</ref>

== Tiêu chuẩn hiệu chuẩn ==

=== Hiệu chuẩn ẩm kế khô-ướt ===

Hiệu chuẩn chính xác của nhiệt kế được sử dụng là cơ bản để xác định độ ẩm chính xác bằng phương pháp khô-ướt. Các nhiệt kế phải được bảo vệ khỏi nhiệt bức xạ và phải có một luồng không khí đủ cao trên bóng đèn ướt để có kết quả chính xác nhất. Một trong những loại máy đo độ ẩm bóng đèn khô chính xác nhất được phát minh vào cuối thế kỷ 19 bởi [[Richard Assmann|Adolph Richard Aßmann]] (1845–1918);<ref>"[http://www.uni-magdeburg.de/mbl/Biografien/1452.htm Aßmann, Adolph Richard]" by Guido Heinrich</ref> thường được gọi là [[Ẩm kế Assmann]]. Trong thiết bị này, mỗi nhiệt kế được treo trong một ống kim loại đánh bóng thẳng đứng và ống đó lần lượt được treo trong ống kim loại thứ hai có đường kính lớn hơn một chút; những ống đôi này dùng để cách ly nhiệt kế khỏi nguồn nhiệt bức xạ. Không khí được hút qua các ống bằng quạt được điều khiển bởi cơ chế đồng hồ để đảm bảo tốc độ phù hợp (một số phiên bản hiện đại sử dụng quạt điện có điều khiển tốc độ điện tử).<ref name="smith">"[http://www.sil.si.edu/SmithsonianContributions/HistoryTechnology/text/SSHT-0002.txt Smithsonian Catalog of Meteorological Instruments in the Museum of History and Technology]" Prepared by W. E. Knowles Middleton</ref> Theo Middleton, năm 1966, "một điểm cốt yếu là không khí được hút giữa các ống đồng tâm, cũng như qua ống bên trong".<ref name="Middleton 1966">{{harvnb| Middleton| 1966 | p=236}}</ref>

Để đo được sự giảm nhiệt độ tối đa về mặt lý thuyết của nhiệt độ bầu ướt là rất khó khăn, đặc biệt là ở độ ẩm tương đối thấp. Một nghiên cứu của Úc vào cuối những năm 1990 đã phát hiện ra rằng nhiệt kế bầu ướt ấm hơn so với lý thuyết dự đoán, ngay cả khi đã thực hiện các biện pháp ngăn chặn đáng kể;<ref>[http://www.wmo.int/pages/prog/www/IMOP/WebPortal-AWS/Tests/ITR648.pdf The Practical Impacts of RTD and Thermometer Design on Wet and Dry Bulb Relative Humidity Measurements] – Bureau of Meteorology, Melbourne (''Cục Khí tượng Thành phố Melbourne'') (1998).</ref> những điều này có thể dẫn đến kết quả đọc giá trị [[Độ ẩm tương đối|RH]] cao hơn từ 2 đến 5%.

Một giải pháp đôi khi được sử dụng để đo độ ẩm chính xác khi nhiệt độ không khí dưới điểm đông là sử dụng lò sưởi điện được kiểm soát nhiệt độ để tăng nhiệt độ của không khí bên ngoài lên trên điểm đông. Trong cách sắp xếp này, một chiếc quạt hút không khí bên ngoài qua (1) nhiệt kế để đo nhiệt độ bầu khô xung quanh, (2) [[Yếu tố làm nóng|phần tử gia nhiệt]], (3) nhiệt kế thứ hai để đo nhiệt độ bầu khô của không khí nóng, sau đó cuối cùng (4) một nhiệt kế bầu ướt. Theo Hướng dẫn của [[Tổ chức Khí tượng Thế giới]], "Nguyên tắc của ẩm kế được làm nóng là hàm lượng hơi nước của một khối không khí không thay đổi nếu được nung nóng. Đặc tính này có thể được dùng cho ẩm kế khô-ướt bằng cách tránh việc phải duy trì một bầu nhiệt trong điều kiện dưới điểm đông."<ref name="WMOGUIDE">{{Chú thích web|url=http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf|tựa đề= WMO Guide To Meteorological Instruments And Methods Of Observation (Seventh edition, 2008), Chapter 4: Humidity, section 4.2.5: Heated psychrometer." World Meteorological Organization |url lưu trữ= https://www.webcitation.org/6E9CzPWoA?url=http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf |ngày lưu trữ=ngày 3 tháng 2 năm 2013| ngày truy cập=ngày 3 tháng 2 năm 2013}}</ref>

Do độ ẩm của không khí xung quanh được tính gián tiếp từ ba phép đo nhiệt độ, nên trong hiệu chuẩn nhiệt kế chính xác của thiết bị như vậy thậm chí còn quan trọng hơn so với cách sắp xếp hai bầu nhiệt độ.

=== Hiệu chuẩn muối bão hòa ===

Các nhà nghiên cứu khác nhau<ref>[http://www.omega.co.uk/temperature/z/pdf/z103.pdf Salt Calibration of Hygrometers]</ref> đã nghĩ ra việc sử dụng các dung dịch muối bão hòa để hiệu chuẩn ẩm kế. Hỗn hợp của một số muối và nước cất có đặc tính là chúng duy trì độ ẩm gần như không đổi trong một thùng chứa kín. Bể chứa muối bão hòa ([[Natri clorua]]) khi đạt ổn định sẽ có độ ẩm khoảng 75%. Các muối khác có mức độ ẩm cân bằng khác: [[Liti clorua]] ~ 11%; [[Magie clorua|Magiê clorua]] ~ 33%; [[Kali cacbonat]] ~ 43%; [[Kali sunfat|Kali sulfat]] ~ 97%. Các dung dịch muối có nhược điểm là độ ẩm sẽ thay đổi theo nhiệt độ và mất nhiều thời gian để đạt đến trạng thái cân bằng. Nhưng với ưu điểm dễ sử dụng, những dung dịch muối được dùng trong các ứng dụng có độ chính xác thấp, chẳng hạn như kiểm tra độ ẩm cơ học và điện tử.

== Xem thêm ==

* [[Trạm thời tiết sân bay tự động]]
* [[Dewcell]]
* [[Bộ điều khiển độ ẩm]]
* [[Phân tích độ ẩm]]
* [[Cảm biến độ ẩm đất]]

== Chú thích ==
{{tham khảo|2}}

== Tham khảo ==
*{{cite journal | last=Bullynck | first=Maarten | title=Johann Heinrich Lambert's Scientific Tool Kit, Exemplified by His Measurement of Humidity, 1769–1772 | journal=Science in Context | volume=23 | issue=1 | date = ngày 26 tháng 1 năm 2010 | url= https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document | archiveurl=https://web.archive.org/web/20181103164408/https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document | archivedate = ngày 3 tháng 11 năm 2018 | issn=1474-0664 | doi=10.1017/S026988970999024X | pages=65–89 | ref=harv }}
*{{Chú thích sách|last=Draper| first=John William| url=https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC|title=A Textbook on Chemistry| publisher=Harper & Bros.| year=1861| page=[https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC/page/n69 55] | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Fraden | first=Jacob | title=Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications | publisher=Springer New York | year=2010 | isbn=978-1-4419-6466-3 | url=https://books.google.ca/books?id=W0Emv9dAJ1kC | page= | ref=harv }}
*{{chú thích sách | last=Fraden | first=Jacob | title=Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications | publisher=Springer International Publishing | year=2015 | isbn=978-3-319-19303-8 | url=https://books.google.ca/books?id=BovDCgAAQBAJ | doi=10.1007/978-3-319-19303-8 | pp=507-523 | ref=harv }}
*{{Chú thích sách| last=Gorse| first=C.| last2=Johnston| first2=D.| last3=Pritchard| first3=M.| url=https://books.google.com/books?id=Z6tGBAAAQBAJ&pg=PT960|title=A Dictionary of Construction, Surveying, and Civil Engineering| publisher=OUP Oxford| year=2012| isbn=978-0-19-104494-6| series=Oxford Quick Reference|page=960 |ref=harv }}
*{{Chú thích sách| last=Hamblyn| first=Richard| url=https://books.google.com/books?id=HbajgFGBrTEC| title=The Invention of Clouds: How an Amateur Meteorologist Forged the Language of the Skies| publisher=Pan Macmillan|year=2010| isbn=978-0-330-39195-5| publication-date=ngày 4 tháng 6 năm 2010| pages=16–17 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách| author=Hoàng Minh Công | date=2007 | title=Giáo trình Cảm biến công nghiệp | url= | location=Hà Nội | publisher=Nhà xuất bản Xây dựng | isbn=| pp= 159-163 | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Korotcenkov | first=Ghenadii | url=https://www.routledgehandbooks.com/pdf/doi/10.1201/b22370-3 | title=Handbook of Humidity Measurement | chapter=Mechanical (Hair) Hygrometer | publisher=CRC Press | date = ngày 25 tháng 1 năm 2019 | isbn=978-0-203-73188-8 | doi=10.1201/b22370-3 | pages=23–29 | ref=harv}}
*{{chú thích sách |author1=Lê Văn Doanh| author2=Phạm Thượng Hàn| date=2001 |title= Các Bộ Cảm Biến Trong Kỹ thuật Đo Lường Và Điều Khiển |url=|location=|publisher=Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật |isbn= | pp=341-354| ref=harv}}
*{{cite journal | last=Makkonen | first=Lasse | last2=Laakso | first2=Timo | url=https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10546-004-7955-y | title=Humidity Measurements in Cold and Humid Environments | journal=Boundary-Layer Meteorology | publisher=Springer Science and Business Media LLC | volume=116 | issue=1 | year=2005 | issn=0006-8314 | doi=10.1007/s10546-004-7955-y | pages=131–147 | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Middleton | first=W.E.K. | title=A History of the Thermometer and Its Use in Meteorology | publisher=Johns Hopkins University Press | year=1966 | url=https://books.google.ca/books?id=PApRAAAAMAAJ | page=236| ref=harv}}
*{{chú thích sách |author= Nguyễn Văn Hòa | date=2005 | title=Giáo trình Đo lường điện và Cảm biến đo lường | url= | location=Hà Nội | publisher=Nhà xuất bản Giáo dục | isbn=| pp= 311-320 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách| last=Selin| first=Helaine| url=https://archive.org/details/encyclopaediahis00seli| title=Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Western Cultures| publisher=Springer|year=2008|isbn=978-1-4020-4559-2| edition=2nd| publication-date=ngày 16 tháng 4 năm 2008| page=[https://archive.org/details/encyclopaediahis00seli/page/n752 736] | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Teague | first=K.A. | last2=Gallicchio | first2=N. | title=The Evolution of Meteorology: A Look into the Past, Present, and Future of Weather Forecasting | publisher=Wiley | year=2017 | isbn=978-1-119-13615-6 | url=https://books.google.ca/books?id=KNPbDgAAQBAJ&pg=PA12 | pp=12-13 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách | tác giả= Wexler| tên=Arnold| tác giả 2=Hyland| tên 2=Richard W.| date=1964| url=https://archive.org/details/nbsstandardhygro73wexl| tựa đề=The NBS standard hygrometer| nhà xuất bản=National Bureau of Standards – United States Department of Commerce | ref=harv}}
*{{ Chú thích sách | last=Wiederhold | first=P.R. | title=Water Vapor Measurement: Methods and Instrumentation | publisher=Taylor & Francis | year=1997 | isbn=978-0-8247-9319-7 | url=https://books.google.ca/books?id=mm5YY1nOJF4C | pp=27-41 | ref=harv}}

[[Thể loại:Dụng cụ và thiết bị khí tượng học]]
[[Thể loại:Nhiệt động lực học khí quyển]]

Ẩm kế

2021-03-03T01:02:41Z

Ltn: Tạo bài mới

{{#switch: {{NAMESPACENUMBER}} | 0 = <div style="height:10px;">[[Thể loại:Mục từ cần bình duyệt]]</div>
<center>[[File:UnderCon icon.svg|frameless|30px|link=]] ''Mục từ này chưa được [[BKTT:Tiêu chuẩn mục từ|bình duyệt]] và có thể cần sự [[Trợ giúp:Hướng dẫn|giúp đỡ của bạn]] để [[{{TALKPAGENAME}}#Bình duyệt|hoàn thiện]].''</center> |}}

[[Tập tin:Haar-Hygrometer.jpg|thumb|Ẩm kế tóc với thang đo phi tuyến tính.]]

'''Ẩm kế''' (tiếng Anh: ''hygrometer'') hay '''máy đo độ ẩm''', là một dụng cụ dùng để đo lượng [[hơi nước]] trong không khí, trong đất hoặc trong vùng không gian hạn chế. Những dụng cụ đo [[độ ẩm]] thường dựa vào kết quả đo của một số đại lượng khác như nhiệt độ, áp suất, khối lượng, sự thay đổi cơ học hoặc điện trong một chất khi độ ẩm được hấp thụ. Bằng cách hiệu chuẩn và tính toán, các đại lượng đo này dùng để tính ra độ ẩm. Các thiết bị điện tử hiện đại sử dụng nhiệt độ ngưng tụ (gọi là [[điểm sương]]) hoặc thay đổi [[điện dung]] hoặc [[Điện dung|điện]] [[Điện trở|trở]] để đo sự thay đổi độ ẩm. Máy đo độ ẩm đơn giản đầu tiên được phát minh bởi nhà toán học người Đức, [[Hồng y|Hồng Y]] [[Nicholas xứ Cusa]], vào khoảng năm 1450, và một phiên bản hiện đại hơn đã được tạo ra bởi nhà khoa học người Thụy Sĩ [[Johann Heinrich Lambert]] vào năm 1755.{{sfn | Bullynck | 2010 | pp=65–89}} Sau đó, vào năm 1783, nhà vật lý và địa chất người Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]] đã phát minh ra ẩm kế đầu tiên sử dụng tóc người để đo độ ẩm.

Lượng hơi nước tối đa có thể được giữ trong một thể tích không khí nhất định ([[Độ ẩm tương đối|bão hòa]]) thay đổi theo nhiệt độ; không khí lạnh chứa khối lượng nước trên một đơn vị thể tích ít hơn không khí nóng. Nhiệt độ có thể thay đổi độ ẩm. Hầu hết các thiết bị đo tương ứng với (hoặc được hiệu chuẩn để đọc) [[độ ẩm tương đối]] (RH), là lượng nước tương đối với mức tối đa ở một nhiệt độ cụ thể được biểu thị bằng phần trăm.

==Lịch sử==

Máy ẩm kế sơ khai đầu tiên được phát minh vào triều đại [[nhà Thương]] ở Trung Quốc cổ đại dùng để nghiên cứu thời tiết.<ref name="Hamblyn 2010 16–17">{{harvnb | Hamblyn | 2010| pp=16-17}}</ref> Người Trung Quốc đã sử dụng một thanh than, cân trọng lượng khô, rồi so với trọng lượng ẩm của nó sau khi tiếp xúc một thời gian với không khí. Sự chênh lệch về trọng lượng dùng để tính độ ẩm. Cho đến đầu [[thế kỷ 15]], những nhà khoa học ở Châu Âu mới bắt đầu nghiên cứu và thiết kế những dụng cụ ẩm kế cơ học đầu tiên. Vào khoảng năm 1450, nhà toán học người Đức, [[Hồng y|Hồng Y]] [[Nicholas xứ Cusa]], đã có ý tưởng thiết kế một thiết bị mà ông gọi là ẩm kế hút ẩm (''hygroscopic hygrometer'').<ref>Ngày nay tên dụng cụ nghiệm ẩm (''hygroscope'') không còn được sử dụng, nhưng khái niệm về hiện tượng nghiệm ẩm (''hygroscopy'') và tính hút ẩm (''hygroscopic'') xuất phát từ thuật ngữ dụng cụ nghiệm ẩm mà Nicholas xứ Cusa sử dụng. ({{harvnb| Korotcenkov | 2019 | p=24}})</ref> Thiết bị này sử dụng một chiếc cân với một đầu treo một cuộn len và đầu còn lại treo một viên đá. Chiếc cân sẽ cân bằng khi không khí khô. Khi không khí trở nên ẩm ướt hơn, tức độ ẩm không khí tăng lên; [[len]] là vật liệu rỗng xốp, nên dễ dàng hút ẩm trong không khí và khối lượng sẽ tăng lên, làm chiếc cân nghiêng về phía cuộn len. Triết gia người Ý, [[Leone Battista Alberti]], đã đề nghị sử dụng bọt biển thay thế cuộn len, vì bọt biển cũng có tính chất hút ẩm tương tự len.<ref name="Istituto">{{chú thích web | title=Hygrometer | website=Istituto e Museo di Storia della Scienza | date = ngày 27 tháng 2 năm 2008 | url=https://brunelleschi.imss.fi.it/itineraries/multimedia/Hygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Tuy nhiên, không có bằng chứng chính xác nào chứng minh việc Hồng y [[Nicholas xứ Cusa]] đã thực sự làm ra một chiếc ẩm kế cuộn len như ý tưởng của ông. Cho đến năm 1481, nhà khoa học [[Leonardo da Vinci|Leonardo de Vinci]] được ghi nhận là đã ứng dụng ý tưởng này để tạo ra chiếc ẩm kế đầu tiên.<ref name="Teague12">{{harvnb | Teague | Gallicchio | 2017 | p=12}}</ref> Trong gần hai thế kỷ sau đó, thiết kế máy đo độ ẩm không có sự cải tiến nào đáng kể so với loại ẩm kế hút ẩm này.

Đến những năm thập niên 1650, [[Ferdinando II de' Medici, Đại Công tước xứ Toscana|Ferdinand II de Medici, Đại Công tước xứ Toscana]], đã sáng chế ra ẩm kế ngưng tụ (''condensation hygrometer'') đầu tiên. Ẩm kế này bao gồm một ống hình trụ chứa [[Băng|nước đá]]; hơi ẩm khi gặp bề mặt lạnh của ống nước đá sẽ ngưng tụ thành dạng lỏng và chảy vào ống đong đặt bên dưới. Lượng nước thu được trong ống đong–trong một khoảng thời gian nhất định– cho biết độ ẩm của không khí.<ref name="Ferdinand’s hygrometer">{{chú thích web | title=Condensation hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/CondensationHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Đến năm 1660, [[Francesco Folli]], một nhà khoa học người Ý, đã sáng chế ra loại ẩm kế bằng dải ruy-băng giấy mà ông gọi là "thiết bị hiển thị độ ẩm" ([[tiếng Ý]]: ''mostra umidaria'').<ref name="Teague12" /> Folli sử dụng một thanh gỗ dài, với dải ruy-băng giấy được kẹp bởi hai đầu thanh gỗ. Ở giữa thanh gỗ có một thanh đồng dựng thẳng để sợi giấy đi qua, đồng thời liên kết với kim đồng hồ chỉ thị. Dải giấy đóng vai trò là chất hút ẩm; khi độ ẩm trong không khí thay đổi, chiều dài dải ruy-băng giấy cũng thay đổi theo, làm quay kim chỉ thị bằng đồng ở giữa, thể hiện độ ẩm không khí.<ref name="Folli’s hygrometer">{{chú thích web | title=Folli's paper-ribbon hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/FollisPaperribbonHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Cũng cùng khoảng thời gian đó, nhà toán học người Ý [[Vincenzo Viviani]] cũng thiết kế một dụng cụ ẩm kế dùng dải ruy-băng giấy tương tự với Folli.<ref name="Viviani's hygrometer">{{chú thích web | title=Viviani's paper-ribbon hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/VivianisPaperribbonHygrometer.html | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Năm 1687, nhà vật lý người Pháp, [[Guillaume Amontons]], thiết kế một dụng cụ ẩm kế bằng ống thủy tinh đứng, dài 1 mét, dưới đáy ống đặt một túi da chứa [[thủy ngân]].<ref name="Istituto" /><ref name="Korotcenkov26">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | p=26}}</ref>

Năm 1755, nhà khoa học thiên tài người Thụy Sĩ, [[Johann Heinrich Lambert]], tạo ra dụng cụ ẩm kế bằng [[Dây thừng|sợi thừng]] mỏng quấn quanh một thanh kim loại. Khi độ ẩm không khí thay đổi, sợi thừng thay đổi chiều dài và thay đổi độ xoắn; độ xoắn của sợi thừng sẽ làm kim chỉ thị xoay cho biết giá trị độ ẩm.{{sfn | Bullynck | 2010 | pp=65–89}} Năm 1769, Lambert công bố tác phẩm nghiên cứu khoa học đầu tiên về ẩm trắc học (''hygrometry'') và ẩm kế. Lambert không chỉ muốn [[nghiên cứu định lượng]] bằng các phép tính toán học về độ ẩm, mà ông còn muốn tìm ra điều kiện mà độ ẩm xảy ra để từ đó có thể dự đoán trước giá trị độ ẩm. Ông định nghĩa về [[độ ẩm]] như sau:
{{Quote
|text=Độ ẩm trong không khí là khối lượng, hay nói chính xác hơn là trọng lượng<ref>[https://www.nyu.edu/pages/mathmol/textbook/weightvmass.html So sánh khối lượng (''mass'') và trọng lượng (''weight'').]</ref> của tất cả vật chất ở thể khí đang lơ lửng trong một thể tích nhất định (ví dụ, trong 1 [[foot khối]]<ref>{{convert|1|cuft|m3|abbr=on}}</ref> không khí).
|author=Johann Heinrich Lambert<ref>Nguyên văn: ''The degree of humidity of air is the mass or better even the weight of all aqueous particles that float in a certain volume (e.g. in a cubic foot of air).'' ([https://web.archive.org/web/20181103164408/https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document Bullynck 2010])</ref>
}}

Năm 1783 (có tài liệu cho rằng năm 1775<ref name="Teague13">{{harvnb | Teague | Gallicchio | 2017 | p=13}}</ref>), [[Horace Benedict de Saussure]], nhà vật lý người Thụy Sĩ, đã phát minh ra ẩm kế tóc (''hair hygrometer'') đầu tiên; loại ẩm kế này vẫn được sử dụng đến ngày nay. Ẩm kế của Saussure hoạt động dựa trên tính chất của tóc sẽ thay đổi chiều dài theo độ ẩm tương đối trong không khí.<ref name="Korotcenkov2324">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=23–24}}</ref> Đến năm 1820, [[John Frederic Daniell]] (1790–1845), nhà hóa học người Anh, sáng chế ra ẩm kế điểm sương (''dew-point hygrometer'') đầu tiên<ref name="Daniell">{{chú thích web | title=John Frederic Daniell | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/biography/John-Frederic-Daniell | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref>; đến năm 1845 thì hoàn thiện hơn bởi [[Henri Victor Regnault]].<ref name="Regnault">{{chú thích web | title=Henri-Victor Regnault | website=Encyclopedia Britannica | url=https://www.britannica.com/biography/Henri-Victor-Regnault | accessdate = ngày 5 tháng 7 năm 2020}}</ref> Ẩm kế điểm sương do Daniell phát minh sử dụng một tấm kim loại phẳng bóng được làm lạnh dưới điều kiện đẳng áp cho đến khi hơi nước ngưng tụ và đọng trên bề mặt gương kim loại – nhiệt độ đó gọi là [[điểm sương]].<ref name="Teague13" />

== Các loại ẩm kế kiểu truyền thống ==

=== Ẩm kế loại cuộn giấy–kim loại ===
Ẩm kế cuộn giấy–kim loại (''metal-paper coil hygrometer'') rất hữu ích để thể hiện sự thay đổi độ ẩm bằng dụng cụ chỉ thị kim số. Loại ẩm kế này thường thấy ở các thiết bị rẻ tiền và có độ chính xác thấp, với sai số từ 10% trở lên.<ref name="Korotcenkov2627" /> Ẩm kế cuộn giấy–kim loại có cấu tạo gồm một dải ruy-băng giấy được dán dính với một miếng kim loại dát mỏng; toàn bộ dải giấy–kim loại này xếp thành cuộn hình xoắn ốc. Một đầu của cuộn dây xoắn ốc gắn cố định; đầu còn lại gắn vào kim số chỉ thị. Khi độ ẩm thay đổi, cuộn giấy hình xoắn ốc sẽ uốn cong do sự thay đổi độ dài của giấy khi hấp thu hơi nước. Kim số sẽ hiển thị độ ẩm trên thang đo đồng hồ ẩm kế.<ref name="Korotcenkov2627">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=26–27}}</ref>

=== Ẩm kế tóc ===
[[Tập tin:HygrometerSaussure.jpg|nhỏ| Bản vẽ mô hình ẩm kế tóc thiết kế bởi nhà vật lý Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]]]]

Ẩm kế tóc<ref name="SGKVL 10 2007 214" /> (''hair hygrometer'') là dụng cụ đo độ ẩm sử dụng tóc người hoặc lông động vật dựa vào tính chất thay đổi chiều dài theo độ ẩm trong không khí. Tóc có tính hút ẩm và giữ độ ẩm; độ dài của tóc thay đổi theo độ ẩm và sự thay đổi độ dài có thể được phóng to bằng cơ cấu truyền động và được thể hiện trên mặt kim số hoặc thước đo. Năm 1783, nhà vật lý và nhà địa chất người Thụy Sĩ [[Horace Bénédict de Saussure]] đã chế tạo ẩm kế tóc đầu tiên bằng cách sử dụng tóc người.<ref name="Saussure hair hygrometer">{{chú thích web | title=Saussure hair hygrometer | website=Museo Galileo | url=https://catalogue.museogalileo.it/object/SaussureHairHygrometer.html | accessdate = ngày 6 tháng 7 năm 2020}}</ref> Thiết bị dự báo thời tiết dân gian truyền thống có tên ngôi nhà thời tiết (''weather house'') được hoạt động dựa trên nguyên tắc của ẩm kế tóc.<ref name="Korotcenkov24">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=24}}</ref>

Ẩm kế tóc có ưu điểm là thiết kế và nguyên lý hoạt động đơn giản, chi phí thấp, dễ sử dụng, phù hợp trong những điều kiện không quá khắc nghiệt (như độ ẩm quá cao hoặc quá thấp). Một trong những nhược điểm của ẩm kế tóc là độ chính xác không cao do sự thay đổi chiều dài của tóc [[Tuyến tính|không tuyến tính]] với độ ẩm. Khi độ ẩm tăng lên, chiều dài sợi tóc sẽ thay đổi nhiều hơn so với khi độ ẩm giảm đi. Qua thực nghiệm, độ nhạy của sợi tóc khi độ ẩm tăng lên sẽ lớn hơn từ 5% đến 6% so với khi độ ẩm giảm xuống.<ref name="Korotcenkov2526">{{harvnb | Korotcenkov | 2019 | pp=25–26}}</ref> Ngoài ra, ẩm kế tóc có [[hiện tượng trễ]] (''hysteresis'') và thời gian phản hồi phụ thuộc vào nhiệt độ. Thời gian phản hồi<ref name="Thời gian hồi đáp">Thời gian phản hồi hay thời gian hồi đáp (tiếng Anh: ''response time'') là khoảng thời gian để cảm biến đo độ ẩm trong ẩm kế phản hồi kết quả khi độ ẩm thay đổi.</ref> của ẩm kế tóc ở 20{{nbsp}}°C là 10 giây và ở –30{{nbsp}}°C là 30 giây. Ẩm kế tóc cũng dễ bị ảnh hưởng bởi các tác nhân nhiễm bẩn từ môi trường, như [[bụi]], [[amoniac]], [[dầu]]. Để khắc phục độ trễ của ẩm kế tóc, tóc được quấn thành cuộn để tóc bị dẹp lại, tạo tiết diện mặt cắt hình [[Elíp|elip]]. Khi đó, tỉ lệ [[diện tích bề mặt]] trên một đơn vị thể tích của tóc sẽ tăng lên và giảm hệ số độ trễ, đồng thời tăng tính [[tuyến tính]] cho ẩm kế. Nếu tóc được xử lý hóa chất với cồn, [[diethyl ether]]<ref>{{harvnb| Draper | 1861 | page=[https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC/page/n69 55]}}</ref>, [[bari sulfua]] (BaS) hoặc [[Natri sunfua|natri sulfua]] (Na2S)<ref name="Korotcenkov2526" /> để loại bỏ những chất dầu có trong tóc nhằm tăng độ phản hồi tuyến tính và độ chính xác cho ẩm kế.

Qua thực nghiệm, [[độ ẩm tương đối]] (RH) trong khoảng 20%–90% là phù hợp nhất đối với ẩm kế tóc. Cũng giống các thiết bị ẩm kế khác, ẩm kế tóc hoạt động chính xác nhất trong khoảng giữa của thang đo độ ẩm; trong khoảng 40%–60% RH ở nhiệt độ phòng, độ chính xác của ẩm kế tóc là ± 2–3% RH. Ngoài khoảng đó, độ chính xác của ẩm kế tóc giảm dần. Ngoài ra, độ chính xác của ẩm kế tóc còn bị ảnh hưởng vào nhiều yếu tố khác như tính chất các loại tóc/lông khác nhau, sai số do cơ cấu truyền động bên trong ẩm kế, điều kiện môi trường. Ví dụ, ẩm kế tóc không nên đặt ở những vị trí có luồng không khí thay đổi vận tốc liên tục mà nên ở những nơi có vận tốc khí ổn định.<ref name="Korotcenkov2526" />

=== Ẩm kế khô–ướt ===
[[Tập tin:Stevenson screen interior.JPG|thumb|Phần bên trong của [[Màn hình Stevenson|khung Stevenson]] hiển thị một máy đo ẩm kế khô-ướt]]

Ẩm kế khô–ướt<ref name="SGKVL 10 2007 214">{{chú thích sách | author= Bộ Giáo dục Đào tạo Việt Nam |date= 2007 |title=Vật lí 10 | url=https://drive.google.com/file/d/1p1-YClI_dhfTu0Ju5Fvs7F3oWSPWt8O2/view |location=|publisher= Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam |edition=1| pp=214-215}}</ref> hay còn gọi là '''ẩm kế bốc hơi ẩm'''<ref name="HMC 2007 162">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=162}}</ref> (tiếng Anh: ''psychrometer'') dùng để đo [[độ ẩm tương đối]] của không khí. Ẩm kế khô–ướt có thiết kế gồm hai nhiệt kế: nhiệt kế bầu khô (''dry-bulb thermometer'') và nhiệt kế bầu ướt<ref name="TCVN 6576 2013" /> (''wet-bulb thermometer''). Trên đầu đo của nhiệt kế bầu ướt có bọc một lớp bông hoặc vải thấm nước để giữ ẩm. Nhiệt kế bầu khô (''tk'') chỉ nhiệt độ của không khí và nhiệt kế bầu ướt (''ta'') chỉ nhiệt độ bay hơi của nước ở trạng thái bão hòa. Ở nhiệt độ cao hơn điểm đông của nước, nước bay hơi nhờ ẩn nhiệt hóa hơi, làm giảm nhiệt độ, do đó nhiệt kế bầu ướt sẽ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt kế bầu khô. Khi đó giữa hai đầu đo có chênh lệch nhiệt độ ({{math|Δ''t''{{=}} ''tk''−''ta''}}). Nếu không khí càng khô thì nước bốc hơi càng mạnh, nhiệt độ đầu đo của nhiệt kế ướt càng giảm. Dựa vào chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nhiệt kế sẽ xác định được độ ẩm tương đối của không khí.

[[Tập tin:Daniell hygrometer-MHS 2191-P4070317-gradient.jpg|thumb|left|upright=0.8|Máy ẩm kế khô–ướt có lẽ được sản xuất tại Thụy Sĩ vào khoảng năm 1850 bởi Kappeller ([[Musée d'histoire des sc khoa de la Ville de Genève|MHS Geneva]])]]

Độ ẩm tương đối cũng có thể được xác định bằng đồ thị trạng thái của không khí ẩm hay còn gọi là đồ thị độ ẩm (''humidity chart'' hoặc ''psychrometric chart''). Có hai loại đồ thị độ ẩm phổ biến: đồ thị d-t và đồ thị I-d. ''Đồ thị d-t'' còn được biết đến với tên là đồ thị Grosvenor (''Grosvenor chart'') theo tên của hai kỹ sư thiết lập nên đồ thị này đầu tiên.<ref name="Keey 1991">{{chú thích sách | last=Keey | first=R.B. | title=Drying Of Loose And Particulate Materials | publisher=Taylor & Francis | year=1991 | isbn=978-0-89116-878-2 | url=https://books.google.ca/books?id=CYELHT3DQuEC&pg=PA141 | accessdate = ngày 8 tháng 7 năm 2020 | pp=141-142}}</ref> Đồ thị d-t biểu thị mối quan hệ của các đại lượng [[độ chứa hơi]] (d), [[nhiệt độ]] (t), [[Entanpi|entanpy]] không khí ẩm (I), [[độ ẩm tương đối]] (RH hoặc φ), [[thể tích riêng]] (v), [[Nhiệt hiện|hệ số nhiệt hiện]] (SHR<ref name="TCVN 6576 2013">Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6576:2013 (ISO 5151:2010) về Máy điều hoà không khí và bơm nhiệt không ống gió – Thử và đánh giá tính năng.</ref>). ''Đồ thị I-d'' thường được nhắc đến trong tiếng Anh là ''Mollier-Ramzin chart'' do đặt theo tên của hai kỹ sư Mollier (người Đức) và Ramzin (người Nga) thiết lập nên đồ thị lần đầu tiên.<ref name="Keey 1991" /> Đồ thị I-d biểu thị mối quan hệ của các đại lượng entanpy (I), độ chứa hơi (d), nhiệt độ (t), độ ẩm tương đối (RH hoặc φ), và [[Áp suất riêng phần|áp suất hơi nước riêng phần]] (ph) của không khí ẩm. Áp suất hơi nước riêng phần trong các mẫu khí là áp suất hơi bão hòa ứng với điểm sương được quan sát và khí trong ẩm kế có cùng áp suất với khí tại thời điểm lấy mẫu.<ref name="TCVN 12045 2017">{{citeweb | url=https://vanbanphapluat.co/tcvn-12045-2017-iso-6327-1981-phan-tich-khi-xac-dinh-diem-suong-theo-nuoc-am-ke#van-ban-goc | title=Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12045:2017 (ISO 6327:1981) về Phân tích khí – Xác định điểm sương theo nước của khí thiên nhiên – Âm kế ngưng tụ bề mặt lạnh | accessdate = ngày 9 tháng 7 năm 2020}}</ref>

Ẩm kế khô–ướt thường được sử dụng trong ngành [[khí tượng học]] và trong ngành công nghiệp [[điện lạnh]] để sạc [[Chất làm lạnh|môi chất lạnh]] thích hợp cho các hệ thống điều hòa không khí dân dụng và thương mại.

=== Ẩm kế quay ===
[[Tập tin:Sling psychrometer.JPG|thumb|Ẩm kế quay dùng để sử dụng ngoài trời]]

Ẩm kế quay (''sling psychrometer'' hoặc ''whirling psychrometer'') về cơ bản có cùng nguyên lý hoạt động với ẩm kế khô–ướt. Ẩm kế quay gồm hai nhiệt kế bầu khô (không bọc vải) và bầu ướt (bọc vải) được gắn song song với nhau trong một khung gỗ; một đầu khung gỗ gắn tay cầm. Khi sử dụng, bầu bọc vải được thấm nước, rồi dùng tay cầm quay trong không khí cho đến khi nhiệt độ trên hai nhiệt kế bằng nhau. Theo tiêu chuẩn ASTM E337–15 của Hoa Kỳ, phương pháp đo bằng ẩm kế quay phù hợp trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ 5 °C đến 50 °C, nhiệt độ bầu ướt không được dưới 1 °C, và áp suất môi trường chênh lệch với áp suất không khí tiêu chuẩn không quá 30%.<ref name="ASTM E337–2015">{{chú thích web | title=ASTM E337–15 Standard Test Method for Measuring Humidity with a Psychrometer (the Measurement of Wet- and Dry-Bulb Temperatures)| website=ASTM International ([[ASTM Quốc tế]]) | date = ngày 1 tháng 7 năm 2015 | url=https://www.astm.org/Standards/E337.htm }}</ref>

== Các loại ẩm kế hiện đại ==

=== Ẩm kế ngưng tụ ===

Ẩm kế ngưng tụ<ref name="LVD 2001 349">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|pp=349-350}}</ref><ref name="HMC 2007 160">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=160}}</ref>, hay còn gọi là '''ẩm kế gương lạnh''', '''ẩm kế quang'''<ref name="NVH 2005 319">{{harvnb |Nguyễn Văn Hòa | 2005 | p=319}}</ref>, '''ẩm kế điểm sương gương lạnh''' (''chilled-mirror dew point hygrometer'')<ref name="Wiederhold 1997 27">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=27}}</ref>, là một trong những loại ẩm kế chính xác nhất, đáng tin cậy nhất, do đó, thường được sử dụng để định chuẩn.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Ẩm kế ngưng tụ hoạt động dựa trên nguyên tắc đo điểm sương. [[Điểm sương]] (''dew point'') là nhiệt độ mà tại đó, hơi nước trong hỗn hợp khí đạt đến trạng thái bão hòa, độ ẩm tương đôi trong không khí đạt đến 100%, hơi nước mất nhiệt ẩn hóa hơi và bắt đầu ngưng tụ.<ref name="Turns 2006 592">{{chú thích sách | last=Turns | first=S.R. | title=Thermodynamics: Concepts and Applications | publisher=Cambridge University Press | year=2006 | isbn=978-0-521-85042-1 | url=https://books.google.ca/books?id=fy5hs04OeMQC&pg=PA592 | accessdate = ngày 9 tháng 7 năm 2020 | page=592}}</ref><ref name="Heldman 2003 186">{{chú thích sách | last=Heldman | first=D.R. | title=Encyclopedia of Agricultural, Food, and Biological Engineering (Print) | publisher=Taylor & Francis | series=Dekker Encyclopedias Series | year=2003 | isbn=978-0-8247-0938-9 | url=https://books.google.ca/books?id=fCRpUZzT2hMC&pg=PA186 | page=186}}</ref>

Nguyên lý hoạt động cơ bản của ẩm kế là sử dụng một gương kim loại bằng [[đồng]] phủ kim loại [[rhođi|rhodi]] hoặc [[vàng]] có nhiệt độ bề mặt được điều chỉnh chính xác nhờ một thiết bị làm lạnh nhiệt điện (''thermo-electric cooler'' - TEC) hoặc [[Bơm nhiệt điện|bơm nhiệt Peltier]]. Tia sáng mạnh chiếu từ nguồn sáng ([[LED|đèn LED]]) đập tới gương [[phản xạ]] chiếu tới đầu thu là một tế bào [[quang dẫn]] (''photo-transistor''). Mẫu khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và bề mặt gương được làm lạnh dần cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ. Khi lớp sương xuất hiện, ánh sáng bị [[tán xạ]] tới đầu thu quang, giảm lượng sáng đo được bởi đầu thu. Do vậy, đầu thu quang dẫn sẽ kích thích bộ điều khiển phát tín hiệu để bơm nhiệt bên dưới gương hoạt động và làm nóng gương. Gương bị nung nóng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng, chu kỳ làm lạnh mới lại bắt đầu.<ref name="Wiederhold 1997 28">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=28}}</ref> Chu kỳ tiếp tục cho đến khi tạo thành trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ, khi đó lớp ngưng tụ có độ dày xác định. Để đo nhiệt độ gương, sử dụng cảm biến đo nhiệt độ kiểu điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu.<ref name="HMC 2007 161">{{harvnb | Hoàng Minh Công | 2007 | p=161}}</ref> Ẩm kế ngưng tụ có hệ thống [[ghép quang]] (''optocoupler'') bên trên gồm đèn LED và đầu thu quang dẫn dùng để bù trôi. Hệ thống ghép quang dưới mặt gương dùng để đo độ phản xạ của gương. Cảm biến được cân bằng quang nhờ bộ chắn ánh sáng của bộ ghép quang phía trên.<ref name="Fraden 2015 518">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=518}}</ref> Tốc độ làm lạnh bề mặt gương thông thường không được quá 1{{nbsp}}°C một phút.<ref name="TCVN 12045 2017" />

Ẩm kế ngưng tụ được sử dụng phổ biến từ đầu thập kỷ 1960 do lúc đó, thiết bị bơm nhiệt điện và hệ thống đầu thu quang điện đã phát triển mạnh. Trước thập kỷ 1960, ẩm kế ngưng tụ chủ yếu được sử dụng trong các phòng thí nghiệm do việc sử dụng môi chất làm lạnh rất khó kiểm soát nhiệt độ và việc phát hiện hơi nước ngưng tụ chủ yếu bằng mắt thường.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Theo [[Tiêu chuẩn quốc gia (Việt Nam)|Tiêu chuẩn Quốc gia]] [[TCVN 12045:2017]] (ISO 6327:1981), có hai nhóm phương pháp làm lạnh bề mặt gương: tự động và không tự động. Phương pháp làm lạnh không tự động đòi hỏi sự chú ý liên tục từ người vận hành, như làm lạnh [[Quá trình đoạn nhiệt|đoạn nhiệt]] (khí [[Cacbon điôxít|CO2]] nén trong bình, được xả lên mặt gương, khí CO2 giãn nở qua vòi phun và hạ nhiệt độ) hoặc dùng ống thổi [[Dung môi|dung môi bay hơi]] ([[etylen oxit]] – C2H4O). Phương pháp dùng thiết bị tự động bao gồm phương pháp tiếp xúc gián tiếp với [[chất làm lạnh]] qua [[điện trở nhiệt]] và [[bơm nhiệt điện]] ([[Hiệu ứng nhiệt điện|hiệu ứng Peltier]]). Chất làm lạnh điện trở nhiệt bao gồm khí [[nitơ lỏng]] (có thể hạ nhiệt độ lạnh xuống đến −80{{nbsp}}°C) hoặc hỗn hợp cacbon đioxit rắn–[[Axeton|aceton]] (có thể hạ xuống −50{{nbsp}}°C).<ref name="TCVN 12045 2017" />

Ưu điểm của ẩm kế ngưng tụ là phạm vi đo rộng, có độ chính xác cao và ổn định hơn các loại thiết bị đo độ ẩm khác. Ẩm kế ngưng tụ sử dụng [[Bơm nhiệt điện|giàn lạnh nhiệt điện]] (TEC) hai cấp có thể đo nhiệt độ ngưng sương xuống −35{{nbsp}}°C; còn ở hệ thống giàn lạnh bốn hoặc năm cấp, ẩm kế ngưng tụ có thể đo điểm sương xuống đến −80{{nbsp}}°C.<ref name="Space Microelectronics 1997 34">{{chú thích sách | title=Space Microelectronics | publisher=Center for Space Microelectronics Technology, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology | year=1997 | url=https://books.google.ca/books?id=xKhAfgHN02EC&pg=PA34 | page=34}}</ref> Những thiết bị ẩm kế dành cho phòng thí nghiệm và các ngành công nghiệp đặc biệt có thể đạt độ chính xác ±0,1{{nbsp}}°C; còn các ẩm kế ngưng tụ thông dụng có thể đạt độ chính xác ±0,2 °C.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Phạm vi đo của ẩm kế ngưng tụ rất rộng, từ −80{{nbsp}}°C đến 100{{nbsp}}°C, có thể mở rộng tới 180{{nbsp}}°C.<ref name="Space Microelectronics 1997 34" /><ref name="LVD 2001 352" /> Ẩm kế ngưng tụ còn có ưu điểm là có thể làm việc trong môi trường [[ăn mòn]], như đo độ ẩm trong khí nhiên liệu.<ref name="LVD 2001 352">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn| 2001|p=352}}</ref>

Nhược điểm của ẩm kế ngưng tụ là cấu tạo phức tạp, giá thành cao hơn những thiết bị cùng loại và việc sử dụng–bảo trì thiết bị khó khăn nên ít được sử dụng đại trà trong công nghiệp, mà chủ yếu được dùng trong [[phòng thí nghiệm]] để định chuẩn. Ẩm kế ngưng tụ cần được vệ sinh và hiệu chuẩn thường xuyên bởi nhân viên kỹ thuật chuyên nghiệp, để duy trì các mức độ chính xác cao.<ref name="Wiederhold 1997 27" /> Ngoài ra, ẩm kế ngưng tụ rất dễ bị ảnh hưởng bởi tạp chất môi trường. Ngay cả trong môi trường làm việc rất sạch, vẫn có thể xuất hiện những tạp chất bẩn trên bề mặt gương, do vậy tác động đến việc ánh sáng thu nhận bởi đầu đọc và ảnh hưởng đến kết quả đo.<ref name="Wiederhold 1997 29">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=29}}</ref> Với ẩm kế ngưng tụ, [[Gradien nhiệt độ|gradient nhiệt độ]] và sự [[rò nhiệt]] cũng ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của đầu cảm biến. Do vậy, người ta sử dụng [[mạch PACER]] (''Programmable Automatic Contaminant Error Reduction'') giúp giảm sai sót do bụi bẩn, cho phép làm lạnh–nung nóng chính xác, vì vậy không cần cắt mạch để lau gương.<ref name="LVD 2001 351">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=351}}</ref>

=== Ẩm kế biến thiên trở kháng ===
Ẩm kế biến thiên trở kháng<ref name="LVD 2001 342">{{harvnb|Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=342}}</ref><ref name="NVH 2005 312">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=312}}</ref> là những loại cảm biến mà các phần tử nhạy là các chất hút ẩm. Các loại ẩm kế này hoạt động dựa trên tính chất điện (như [[điện trở]], [[điện dung]]) của các cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường. Khi độ ẩm môi trường thay đổi sẽ làm [[trở kháng]] của các cảm biến thay đổi theo (nên gọi là ''ẩm kế biến thiên trở kháng'').<ref name="Fraden 2015 511">{{harvnb|Fraden |2015 |p=511}}</ref> Các phần tử nhạy có kích thước nhỏ để giảm thời gian hồi đáp<ref name="Thời gian hồi đáp" /> của cảm biến. Các chất hút ẩm có khả năng hút nước phụ thuộc vào [[độ ẩm tương đối]] của không khí. Đầu đo độ ẩm có đặc tính điện là hàm số của lượng nước hấp thụ, hàm này phải ổn định theo thời gian, có tính chất thuận nghịch và tuyến tính.<ref name="LVD 2001 342" /> Ẩm kế biến thiên trở kháng được chia thành ba nhóm chính: ẩm kế điện trở, ẩm kế tụ điện điện môi polyme, và ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit Al2O3.

==== Ẩm kế điện trở ====
Ẩm kế điện trở (''resistive hygrometer'' hoặc ''hygristor''<ref name="Fraden 2015 515">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=515}}</ref>) sử dụng phần đế có kích thước nhỏ (vài mm2) được phủ chất hút ẩm và gắn hai [[điện cực]] bằng kim loại không bị ăn mòn và không bị oxy hóa. Giá trị [[điện trở]] đo được giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỉ số giữa khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của khí và nhiệt độ. Cảm biến của ẩm kế điện trở có thể sử dụng ở dải đo từ 5% đến 95% RH, với sai số ±2–5%. Dải nhiệt độ hoạt động của ẩm kế điện trở từ −10{{nbsp}}°C đến 60{{nbsp}}°C, thời gian hồi đáp khoảng 10 giây.<ref name="NVH 2005 313">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=313}}</ref> Ẩm kế điện trở ít bị ảnh hưởng ô nhiễm bởi môi trường đo do đó thường dùng trong các ngành công nghệ.<ref name="LVD 2001 343">{{harvnb|Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001|p=343}}</ref>

==== Ẩm kế tụ điện điện môi polyme ====
Về cơ bản, '''ẩm kế tụ điện''' hay còn gọi là '''ẩm kế điện dung''' (''capacitive hygrometer'') hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng [[tụ điện]] để đo độ ẩm của không khí hoặc chất khí. Ẩm kế tụ điện cơ bản gồm hai bản cực tụ điện, giữa hai bản cực của tụ điện là không khí, được xem như [[Điện môi|chất điện môi]]. [[Hằng số điện môi]] ''ε'' và [[điện dung]] ''C'' tỉ lệ với độ ẩm tương đối ''H'' của không khí. Quan hệ giữa độ ẩm và hằng số điện môi được biểu diễn theo công thức:
:<math>\varepsilon = 1 + \frac{211}{T} \left (P + \frac{48 P_bh}{T} H \right) 10^{-6} </math>
Trong đó: ''T''–Nhiệt độ tuyệt đối (°K); ''P''–Áp suất của khí ẩm (mmHg); ''Pbh''–Áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ ''T'' (mmHg); ''H'' hoặc φ–Độ ẩm tương đối RH (%).<ref name="Fraden 2015 512">{{harvnb|Fraden |2015 |p=512}}</ref>

Ẩm kế tụ điện điện môi polyme gồm một màng [[polyme]] có độ dày 8–12{{nbsp}}μm làm bằng [[cellulose acetate butrate]] (CAB) có khả năng hấp thụ hơi nước và chất tạo dẻo làm bằng [[dimethylphthalate]]. Kích thước cảm biến màng polymer là 12×12{{nbsp}}mm.<ref name="Fraden 2015 512" /> Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là [[Tantan]] (Ta); sau đó phủ tiếp lên polyme một lớp [[Crom]] (Cr) (dày từ 10{{nbsp}}Å đến 100{{nbsp}}Å làm điện cực thứ hai. Lớp Crom gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí.<ref name="NVH 2005 314">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=314}}</ref> Một thiết kế khác của ẩm kế tụ điện polyme là người ta phủ điện cực bằng kim loại [[vàng]] (dày khoảng 200{{nbsp}}Å) bằng phương pháp phủ chân không (''vacuum deposition''). Thời gian hồi đáp của tụ điện phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi polyme. Điện dung ''C'' của tụ điện tỉ lệ với độ ẩm tương đối ''H'' theo công thức sau:
:<math>C_a \approx C_0 (1+ \alpha_{bh} H) </math>
Trong đó: ''C''0 là điện dung ở độ ẩm tương đối ''H'' = 0.<ref name="Fraden 2015 513">{{harvnb|Fraden |2015 |p=513}}</ref>

Với cảm biến tụ điện điện môi polyme, dải đo độ ẩm từ 5% đến 100% với sai số 2%.<ref name="Fraden 2010 449">{{harvnb|Fraden |2010 |p=449}}</ref> Dải nhiệt độ hoạt động từ −40{{nbsp}}°C đến 100{{nbsp}}°C, với sai số từ 2–3%. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây.<ref name="NVH 2005 314" />

==== Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit ====
Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit là tụ điện trong đó [[Nhôm oxit|Al2O3]] là chất điện môi được tạo ra bằng phương pháp Anot hóa với tấm nhôm được sử dụng làm điện cực thứ nhất của tụ. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo thành trên mặt kia của lớp điện môi.<ref name="Fraden 2010 452">{{harvnb|Fraden |2010 |pp=452-453}}</ref> Chiều dày lớp Al2O3 nhỏ hơn hoặc bằng 0,3{{nbsp}}μm. Sự thay đổi trở kháng của tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Quá trình Anot hóa được thực hiện bằng điện phân dung dịch [[Axit sulfuric|H2SO4]] với tấm nhôm làm cực dương (Anot). Oxy hình thành trên nhôm và oxy hóa bề mặt để tạo thành Al2O3. Lớp [[Nhôm oxit|oxit nhôm]] có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm. Điện cực thứ hai phủ lên lớp Al2O3 có thể dùng [[đồng]], [[vàng]], [[platin]], Niken–Crom, và nhôm.<ref name="NVH 2005 315" /> Cảm biến tụ điện nhôm oxit cho phép đo [[Điểm sương|nhiệt độ điểm sương]] TS trong phạm vi từ −80{{nbsp}}°C đến 70{{nbsp}}°C, dải áp suất làm việc từ 0 đến 100 Pa. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây. Cảm biến tụ điện nhôm oxit có nhược điểm không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn mòn như [[natri clorua]], [[lưu huỳnh]] v.v…<ref name="NVH 2005 315">{{harvnb|Nguyễn Văn Hòa |2005 |p=315}}</ref>

=== Ẩm kế nhiệt ===
Ẩm kế nhiệt (''thermal hygrometer'') dựa trên nguyên tắc sự thay đổi của độ ẩm sẽ làm thay đổi [[độ dẫn nhiệt]] của không khí. Loại ẩm kế này chỉ đo [[độ ẩm tuyệt đối]] chứ không phải độ ẩm tương đối.<ref name="sensorsmag3">D.K. Roveti. [http://www.sensorsmag.com/sensors/humidity-moisture/choosing-a-humidity-sensor-a-review-three-technologies-840 Choosing a Humidity Sensor: A Review of Three Technologies]. Sensors Magazine (2001).</ref> Ẩm kế nhiệt sử dụng cảm biến nhiệt trở để xác định sự thay đổi độ dẫn nhiệt của khí, từ đó xác định độ ẩm tuyệt đối của khí. Ẩm kết nhiệt gồm hai [[điện trở nhiệt]] (''thermistor'') được treo bằng những sợi dây mỏng nhằm tránh thất thoát nhiệt qua sự truyền nhiệt tiếp xúc (dẫn nhiệt) với vỏ hộp thiết bị. Một trong hai điện trở nhiệt tiếp xúc với không khí bên ngoài qua một lỗ thông nhỏ; điện trở nhiệt còn lại được đặt trong buồng kín, tránh tiếp xúc với không khí. Cả hai điện trở nhiệt được nối trong một [[Cầu Wheatstone|mạch điện cầu]]. Khi có dòng điện chạy qua, hai điện trở nhiệt nóng lên, nhiệt độ lên tới 170{{nbsp}}°C cao hơn nhiệt độ không khí. Ban đầu, trong điều kiện khí khô, [[Cầu Wheatstone|mạch cầu Wheastone]] thiết lập giá trị tham chiếu là 0. Khi độ ẩm tuyệt đối tăng dần, giá trị điện thế ghi nhận ở cảm biến cũng tăng theo. Khi [[khối lượng riêng]] của khí bằng 150{{nbsp}}g/m3, giá trị điện thế cảm biến đạt điểm cực đại và giảm dần về bằng 0 khi trọng lượng riêng bằng 345{{nbsp}}g/m3. Đối với ẩm kế nhiệt, mẫu khí đo cần giữ tĩnh tại, tránh để luồng khí di chuyển để đạt độ chính xác. Vì luồng khí khi chuyển động đối lưu sẽ làm lạnh và gây sai số cho thiết bị đo.<ref name="Fraden 2015 516">{{harvnb| Fraden | 2015 | p=516}}</ref>

=== Ẩm kế hấp thụ ===
[[Tập tin:Dunmore Hygrometer Sensor 1938.jpg|thumb|Thiết bị đo độ ẩm sáng chế bởi Francis Dunmore vào năm 1938]]
Ẩm kế hấp thụ<ref name="HMC 2007 161" /><ref name="NVH 2005 315" /> hay còn gọi là '''ẩm kế điện ly'''<ref name="LVD 2001 345">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn |2001 |p=345}}</ref> (''electrolytic hygrometer'') hoạt động dựa trên hiện tượng hấp thụ hơi nước của một số chất như [[Liti clorua|Liti Clorua]] (LiCl) hoặc [[Phốtpho pentôxít|Anhyđrit Photphoric]] (P2O5). Các chất này có đặc tính khi ở trạng thái khô sẽ có giá trị [[điện trở]] rất cao; khi hút ẩm hơi nước từ môi trường xung quanh, điện trở giảm đáng kể. Sự thay đổi điện trở có thể đo bằng mạch điện, từ đó xác định được độ ẩm trong môi trường cần đo. Cảm biến điện ly đo độ ẩm đầu tiên được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Francis W. Dunmore vào năm 1938.<ref>{{cite journal |last1=Dunmore |first1=F. |date=1938| title=An Electric Hygrometer and Its Application to Radio Meteorography |url=https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/20/jresv20n6p723_A1b.pdf |publisher=|journal=Journal of Research of the National Bureau of Standards| volume=20|issue=|doi=|pp=723–744}}</ref> Đây là loại ẩm kế điện đầu tiên và duy nhất được sản xuất thương mại cho đến tận thập niên 1970.<ref name="Farahani Wagiran Hamidon 7881">{{cite journal | last=Farahani | first=H. | last2=Wagiran | first2=R. | last3=Hamidon | first3=M. | title=Humidity Sensors Principle, Mechanism, and Fabrication Technologies: A Comprehensive Review | url=https://www.researchgate.net/publication/262015128_Humidity_Sensors_Principle_Mechanism_and_Fabrication_Technologies_A_Comprehensive_Review | journal=Sensors | publisher=MDPI AG | volume=14 | issue=5 | date = ngày 30 tháng 4 năm 2014 | issn=1424-8220 | doi=10.3390/s140507881 | p=7885}}</ref>

Thiết kế của một ẩm kế điện ly sử dụng muối LiCl gồm hai [[điện cực]] kim loại được ngăn cách bởi một lớp vải [[sợi thủy tinh]] tẩm dung dịch bão hòa muối liti clorua (dung dịch điện ly). Hai điện cực nối với một [[Điện xoay chiều|nguồn điện xoay chiều]]. Khi dòng điện chạy qua sẽ làm dung dịch LiCl bị nung nóng, nước trong dung dịch bị bay hơi. Khi nước bay hơi hết, muối kết tinh có điện trở tăng mạnh, dòng điện giữa các điện cực giảm xuống đáng kể. Khi dòng điện bị giảm đi, nhiệt độ ở đầu đo giảm xuống, tinh thể LiCl lại hấp thụ nước, độ ẩm tăng, làm dòng điện tăng. Quá trình tiếp tục lặp lại cho đến khi trạng thái cân bằng giữa muối rắn LiCl và dung dịch được thiết lập. Khi đó, áp suất riêng phần của hơi nước trong mẫu khí tương ứng với áp suất phía trên dung dịch bão hòa LiCl ở cùng nhiệt độ.<ref name="Ferraro Godoy Turrent 2013 p. 47">{{chú thích sách | last=Ferraro | first=R. | last2=Godoy | first2=R. | last3=Turrent | first3=D. | title=Monitoring Solar Heating Systems: A Practical Handbook | publisher=Elsevier Science | year=2013 | isbn=978-1-4831-4071-1 | url=https://books.google.ca/books?id=7o4gBQAAQBAJ&pg=PA47 | page=47}}</ref> Trạng thái cân bằng này cũng giúp xác định [[Điểm sương|nhiệt độ điểm sương]]. Phần tử điều chỉnh của ẩm kế là liti clorua.<ref name="LVD 2001 348">{{harvnb |Lê Văn Doanh |Phạm Thượng Hàn | 2001|p=348}}</ref>

Đối với ẩm kế điện ly sử dụng Anhyđrit Photphoric (P2O5) làm chất hút ẩm, P2O5 khi tiếp xúc với hơi ẩm trong khí sẽ chuyển hóa thành dung dịch điện ly ([[axit phosphoric]] H3PO4). Dung dịch axit photphoric được điện phân liên tục và dòng điện được đo bởi cảm biến. Khi mẫu khí cần đo được thổi qua thiết bị đo với lưu lượng ổn định, dòng điện điện phân là một hàm số tuyến tính của nồng độ hơi nước.<ref name="IUPAC 2014 Electrolytic Hygrometer">{{chú thích web | title=Electrolytic Hygrometer (E01972) | website=IUPAC | date = ngày 24 tháng 2 năm 2014 | url=https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01972 | accessdate = ngày 13 tháng 7 năm 2020 | archiveurl=https://web.archive.org/web/20190817211952/https://goldbook.iupac.org/terms/view/E01972 | archivedate = ngày 17 tháng 8 năm 2019}}</ref>

Thời gian hồi đáp của ẩm kế điện ly LiCl tương đối lớn, cỡ hàng chục phút. Độ chính xác có thể đạt tới ±{{nbsp}}0,2{{nbsp}}°C. Phạm vi đo nhiệt độ điểm sương của các chất từ −10{{nbsp}}°C đến 60{{nbsp}}°C. Cảm biến không được dùng khi áp suất hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của LiCl, nghĩa là dưới 11% RH.<ref name="LVD 2001 348" />

=== Ẩm kế trọng lực ===

Ẩm kế trọng lực (''gravimetric hygrometer'') đo khối lượng của mẫu không khí so với thể tích không khí khô có cùng thể tích. Theo Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (NBS), đây là phương pháp xác định độ ẩm trong không khí có độ chính xác rất cao.<ref name="Wexler Hyland 1964">{{harvnb | Wexler | Hyland | 1964| p=3}}</ref> Ở các quốc gia như Mỹ, Anh, Châu Âu, Nhật Bản, đã phát triển các tiêu chuẩn quốc gia dựa trên loại ẩm kế này. Sự bất tiện của thiết bị này là nó thường chỉ được dùng để hiệu chuẩn các công cụ kém chính xác hơn, được gọi là Tiêu chuẩn chuyển giao (''transfer standards'').<ref name="Wiederhold 1997 167">{{harvnb | Wiederhold | 1997 |pp=167-168}}</ref>

=== Ẩm kế quang học ===

Ẩm kế quang học (''optical hygrometer'') hay còn gọi là '''ẩm kế hấp thụ quang''' (''optical absorption hygrometer''<ref name="Wiederhold 1997 113">{{harvnb | Wiederhold | 1997 | p=113}}</ref>) đo sự hấp thụ ánh sáng của nước trong không khí.<ref>{{Chú thích web|url=http://glossary.ametsoc.org/wiki/Spectral_hygrometer|tựa đề=Spectral hygrometer - AMS Glossary|website=glossary.ametsoc.org|ngày truy cập=2019-01-16}}</ref> Ẩm kế hấp thụ quang hoạt động dựa trên hiện tượng hơi nước hấp thụ năng lượng bức xạ ở một dải ánh sáng hẹp, ở trường hợp các loại ẩm kế này là [[Tử ngoại|dải ánh sáng tử ngoại]].<ref name="Wiederhold 1997 113" /> Một bộ phát sáng và một bộ thu nhận ánh sáng được bố trí với một thể tích không khí giữa chúng. Đầu thu ánh sáng sẽ xác định được độ suy giảm của ánh sáng, tương ứng với độ ẩm, theo [[định luật Beer-Lambert]]. Ẩm kế quang học có thể chia thành các loại sau: [[ẩm kế Lyman-alpha]] (sử dụng [[ánh sáng Lyman-alpha]] phát ra từ [[hydro]]), [[ẩm kế krypton]] (sử dụng ánh sáng có [[bước sóng]] 123,58 nm do [[Krypton]] phát ra) và [[ẩm kế hấp thụ vi sai]] (sử dụng ánh sáng phát ra từ hai bước sóng khác nhau, một bước sóng bị hấp thụ bởi độ ẩm và bước sóng còn lại thì không bị hấp thụ). Thời gian hồi đáp của ẩm kế quang chỉ trong vòng vài [[mili giây]] (''ms''); phạm vi đo từ −80{{nbsp}}°C đến 40{{nbsp}}°C.<ref name="Wiederhold 1997 113" />

== Ứng dụng ==

Ngoài nhà kính và trong các ngành công nghiệp, ẩm kế có nhiều ứng dụng như [[Máy ấp trứng (trứng)|máy ấp trứng]], [[Phòng tắm hơi|phòng xông hơi]], [[hộp giữ ẩm]] và [[Viện bảo tàng|bảo tàng]]. Ẩm kế cũng được dùng trong việc chăm sóc các nhạc cụ bằng [[gỗ]] như [[Dương cầm|piano]], [[guitar]], [[Vĩ cầm|violin]] và [[Hạc cầm|đàn hạc]], vì những nhạc cụ này có thể bị hỏng do điều kiện độ ẩm không phù hợp. Máy đo độ ẩm đóng vai trò lớn trong việc chữa cháy vì độ ẩm tương đối càng thấp, nhiên liệu có thể cháy dữ dội hơn.<ref name="FireFighterToolBox 2013">{{chú thích web | title=How Does Humidity Impact Firefighting? | date = ngày 9 tháng 11 năm 2013 | url=https://www2.firefightertoolbox.com/humidity-impact-firefighting/| archiveurl= https://web.archive.org/web/20191229090113/https://www2.firefightertoolbox.com/humidity-impact-firefighting/| archivedate = ngày 29 tháng 12 năm 2019}}</ref> Trong môi trường dân cư, ẩm kế được sử dụng để hỗ trợ kiểm soát độ ẩm (độ ẩm quá thấp có thể làm hỏng da và cơ thể con người, trong khi độ ẩm quá cao tạo điều kiện cho [[nấm mốc]] và [[mạt bụi nhà]] phát triển). Máy đo độ ẩm cũng được sử dụng trong ngành sơn vì [[sơn]] và các chất phủ khác có thể rất nhạy cảm với độ ẩm và [[điểm sương]].

== Khó khăn về độ chính xác ==

Đo độ ẩm là một trong những vấn đề khó khăn trong ngành kỹ thuật đo lường. Theo Hướng dẫn của [[Tổ chức Khí tượng Thế giới]] (WMO), "Độ chính xác có thể đạt được [để xác định độ ẩm] được liệt kê trong bảng đề cập đến các dụng cụ chất lượng tốt được vận hành và bảo trì tốt. Trong thực tế, những điều này không dễ đạt được." Hai nhiệt kế có thể được so sánh bằng cách ngâm cả hai trong một bình nước cách nhiệt (hoặc cồn nếu muốn nhiệt độ dưới điểm đóng băng của nước) và khuấy mạnh để giảm thiểu sự thay đổi nhiệt độ. Một nhiệt kế thủy tinh (''liquid-in-glass thermometer'') chất lượng cao nếu được sử dụng và giữ gìn cẩn thận sẽ hoạt động ổn định trong vài năm. Máy đo độ ẩm phải được hiệu chuẩn trong không khí, đây là môi trường truyền nhiệt kém hiệu quả hơn nhiều so với nước và nhiều loại có thể bị sai lệch<ref>[http://www.veriteq.com/download/whitepaper/catching-the-drift.pdf catching the drift]</ref> vì vậy cần phải hiệu chuẩn lại thường xuyên. Một khó khăn nữa là hầu hết các máy ẩm kế chỉ đo độ ẩm tương đối thay vì độ ẩm tuyệt đối, nhưng độ ẩm tương đối là một hàm số của cả nhiệt độ và độ ẩm tuyệt đối, do đó, sự thay đổi nhiệt độ nhỏ trong không khí trong buồng thử nghiệm sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi độ ẩm tương đối.

Trong môi trường lạnh và ẩm, sự thăng hoa của băng (nước đá) có thể xảy ra trên đầu cảm biến, cho dù cảm biến đó là tóc, điểm sương, gương, phần tử cảm biến điện dung hay nhiệt kế bầu khô của ẩm kế khô-ướt. Băng trên đầu dò khớp với độ ẩm bão hòa đối với băng ở nhiệt độ đó, tức là điểm sương. Tuy nhiên, một máy đo độ ẩm thông thường không thể đo chính xác dưới điểm sương, và cách duy nhất để giải quyết vấn đề cơ bản này là sử dụng đầu dò độ ẩm được làm nóng.<ref name="Makkonen">{{harvnb| Makkonen | Laakso | 2005 | pages=131–147}}</ref>

== Tiêu chuẩn hiệu chuẩn ==

=== Hiệu chuẩn ẩm kế khô-ướt ===

Hiệu chuẩn chính xác của nhiệt kế được sử dụng là cơ bản để xác định độ ẩm chính xác bằng phương pháp khô-ướt. Các nhiệt kế phải được bảo vệ khỏi nhiệt bức xạ và phải có một luồng không khí đủ cao trên bóng đèn ướt để có kết quả chính xác nhất. Một trong những loại máy đo độ ẩm bóng đèn khô chính xác nhất được phát minh vào cuối thế kỷ 19 bởi [[Richard Assmann|Adolph Richard Aßmann]] (1845–1918);<ref>"[http://www.uni-magdeburg.de/mbl/Biografien/1452.htm Aßmann, Adolph Richard]" by Guido Heinrich</ref> thường được gọi là [[Ẩm kế Assmann]]. Trong thiết bị này, mỗi nhiệt kế được treo trong một ống kim loại đánh bóng thẳng đứng và ống đó lần lượt được treo trong ống kim loại thứ hai có đường kính lớn hơn một chút; những ống đôi này dùng để cách ly nhiệt kế khỏi nguồn nhiệt bức xạ. Không khí được hút qua các ống bằng quạt được điều khiển bởi cơ chế đồng hồ để đảm bảo tốc độ phù hợp (một số phiên bản hiện đại sử dụng quạt điện có điều khiển tốc độ điện tử).<ref name="smith">"[http://www.sil.si.edu/SmithsonianContributions/HistoryTechnology/text/SSHT-0002.txt Smithsonian Catalog of Meteorological Instruments in the Museum of History and Technology]" Prepared by W. E. Knowles Middleton</ref> Theo Middleton, năm 1966, "một điểm cốt yếu là không khí được hút giữa các ống đồng tâm, cũng như qua ống bên trong".<ref name="Middleton 1966">{{harvnb| Middleton| 1966 | p=236}}</ref>

Để đo được sự giảm nhiệt độ tối đa về mặt lý thuyết của nhiệt độ bầu ướt là rất khó khăn, đặc biệt là ở độ ẩm tương đối thấp. Một nghiên cứu của Úc vào cuối những năm 1990 đã phát hiện ra rằng nhiệt kế bầu ướt ấm hơn so với lý thuyết dự đoán, ngay cả khi đã thực hiện các biện pháp ngăn chặn đáng kể;<ref>[http://www.wmo.int/pages/prog/www/IMOP/WebPortal-AWS/Tests/ITR648.pdf The Practical Impacts of RTD and Thermometer Design on Wet and Dry Bulb Relative Humidity Measurements] – Bureau of Meteorology, Melbourne (''Cục Khí tượng Thành phố Melbourne'') (1998).</ref> những điều này có thể dẫn đến kết quả đọc giá trị [[Độ ẩm tương đối|RH]] cao hơn từ 2 đến 5%.

Một giải pháp đôi khi được sử dụng để đo độ ẩm chính xác khi nhiệt độ không khí dưới điểm đông là sử dụng lò sưởi điện được kiểm soát nhiệt độ để tăng nhiệt độ của không khí bên ngoài lên trên điểm đông. Trong cách sắp xếp này, một chiếc quạt hút không khí bên ngoài qua (1) nhiệt kế để đo nhiệt độ bầu khô xung quanh, (2) [[Yếu tố làm nóng|phần tử gia nhiệt]], (3) nhiệt kế thứ hai để đo nhiệt độ bầu khô của không khí nóng, sau đó cuối cùng (4) một nhiệt kế bầu ướt. Theo Hướng dẫn của [[Tổ chức Khí tượng Thế giới]], "Nguyên tắc của ẩm kế được làm nóng là hàm lượng hơi nước của một khối không khí không thay đổi nếu được nung nóng. Đặc tính này có thể được dùng cho ẩm kế khô-ướt bằng cách tránh việc phải duy trì một bầu nhiệt trong điều kiện dưới điểm đông."<ref name="WMOGUIDE">{{Chú thích web|url=http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf|tựa đề= WMO Guide To Meteorological Instruments And Methods Of Observation (Seventh edition, 2008), Chapter 4: Humidity, section 4.2.5: Heated psychrometer." World Meteorological Organization |url lưu trữ= https://www.webcitation.org/6E9CzPWoA?url=http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf |ngày lưu trữ=ngày 3 tháng 2 năm 2013| ngày truy cập=ngày 3 tháng 2 năm 2013}}</ref>

Do độ ẩm của không khí xung quanh được tính gián tiếp từ ba phép đo nhiệt độ, nên trong hiệu chuẩn nhiệt kế chính xác của thiết bị như vậy thậm chí còn quan trọng hơn so với cách sắp xếp hai bầu nhiệt độ.

=== Hiệu chuẩn muối bão hòa ===

Các nhà nghiên cứu khác nhau<ref>[http://www.omega.co.uk/temperature/z/pdf/z103.pdf Salt Calibration of Hygrometers]</ref> đã nghĩ ra việc sử dụng các dung dịch muối bão hòa để hiệu chuẩn ẩm kế. Hỗn hợp của một số muối và nước cất có đặc tính là chúng duy trì độ ẩm gần như không đổi trong một thùng chứa kín. Bể chứa muối bão hòa ([[Natri clorua]]) khi đạt ổn định sẽ có độ ẩm khoảng 75%. Các muối khác có mức độ ẩm cân bằng khác: [[Liti clorua]] ~ 11%; [[Magie clorua|Magiê clorua]] ~ 33%; [[Kali cacbonat]] ~ 43%; [[Kali sunfat|Kali sulfat]] ~ 97%. Các dung dịch muối có nhược điểm là độ ẩm sẽ thay đổi theo nhiệt độ và mất nhiều thời gian để đạt đến trạng thái cân bằng. Nhưng với ưu điểm dễ sử dụng, những dung dịch muối được dùng trong các ứng dụng có độ chính xác thấp, chẳng hạn như kiểm tra độ ẩm cơ học và điện tử.

== Xem thêm ==

* [[Trạm thời tiết sân bay tự động]]
* [[Dewcell]]
* [[Bộ điều khiển độ ẩm]]
* [[Phân tích độ ẩm]]
* [[Cảm biến độ ẩm đất]]

== Chú thích ==
{{tham khảo|2}}

== Tham khảo ==
*{{cite journal | last=Bullynck | first=Maarten | title=Johann Heinrich Lambert's Scientific Tool Kit, Exemplified by His Measurement of Humidity, 1769–1772 | journal=Science in Context | volume=23 | issue=1 | date = ngày 26 tháng 1 năm 2010 | url= https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document | archiveurl=https://web.archive.org/web/20181103164408/https://halshs.archives-ouvertes.fr/halshs-00663305/document | archivedate = ngày 3 tháng 11 năm 2018 | issn=1474-0664 | doi=10.1017/S026988970999024X | pages=65–89 | ref=harv }}
*{{Chú thích sách|last=Draper| first=John William| url=https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC|title=A Textbook on Chemistry| publisher=Harper & Bros.| year=1861| page=[https://archive.org/details/bub_gb_HKwS7QDh5eMC/page/n69 55] | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Fraden | first=Jacob | title=Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications | publisher=Springer New York | year=2010 | isbn=978-1-4419-6466-3 | url=https://books.google.ca/books?id=W0Emv9dAJ1kC | page= | ref=harv }}
*{{chú thích sách | last=Fraden | first=Jacob | title=Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications | publisher=Springer International Publishing | year=2015 | isbn=978-3-319-19303-8 | url=https://books.google.ca/books?id=BovDCgAAQBAJ | doi=10.1007/978-3-319-19303-8 | pp=507-523 | ref=harv }}
*{{Chú thích sách| last=Gorse| first=C.| last2=Johnston| first2=D.| last3=Pritchard| first3=M.| url=https://books.google.com/books?id=Z6tGBAAAQBAJ&pg=PT960|title=A Dictionary of Construction, Surveying, and Civil Engineering| publisher=OUP Oxford| year=2012| isbn=978-0-19-104494-6| series=Oxford Quick Reference|page=960 |ref=harv }}
*{{Chú thích sách| last=Hamblyn| first=Richard| url=https://books.google.com/books?id=HbajgFGBrTEC| title=The Invention of Clouds: How an Amateur Meteorologist Forged the Language of the Skies| publisher=Pan Macmillan|year=2010| isbn=978-0-330-39195-5| publication-date=ngày 4 tháng 6 năm 2010| pages=16–17 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách| author=Hoàng Minh Công | date=2007 | title=Giáo trình Cảm biến công nghiệp | url= | location=Hà Nội | publisher=Nhà xuất bản Xây dựng | isbn=| pp= 159-163 | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Korotcenkov | first=Ghenadii | url=https://www.routledgehandbooks.com/pdf/doi/10.1201/b22370-3 | title=Handbook of Humidity Measurement | chapter=Mechanical (Hair) Hygrometer | publisher=CRC Press | date = ngày 25 tháng 1 năm 2019 | isbn=978-0-203-73188-8 | doi=10.1201/b22370-3 | pages=23–29 | ref=harv}}
*{{chú thích sách |author1=Lê Văn Doanh| author2=Phạm Thượng Hàn| date=2001 |title= Các Bộ Cảm Biến Trong Kỹ thuật Đo Lường Và Điều Khiển |url=|location=|publisher=Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật |isbn= | pp=341-354| ref=harv}}
*{{cite journal | last=Makkonen | first=Lasse | last2=Laakso | first2=Timo | url=https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10546-004-7955-y | title=Humidity Measurements in Cold and Humid Environments | journal=Boundary-Layer Meteorology | publisher=Springer Science and Business Media LLC | volume=116 | issue=1 | year=2005 | issn=0006-8314 | doi=10.1007/s10546-004-7955-y | pages=131–147 | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Middleton | first=W.E.K. | title=A History of the Thermometer and Its Use in Meteorology | publisher=Johns Hopkins University Press | year=1966 | url=https://books.google.ca/books?id=PApRAAAAMAAJ | page=236| ref=harv}}
*{{chú thích sách |author= Nguyễn Văn Hòa | date=2005 | title=Giáo trình Đo lường điện và Cảm biến đo lường | url= | location=Hà Nội | publisher=Nhà xuất bản Giáo dục | isbn=| pp= 311-320 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách| last=Selin| first=Helaine| url=https://archive.org/details/encyclopaediahis00seli| title=Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Western Cultures| publisher=Springer|year=2008|isbn=978-1-4020-4559-2| edition=2nd| publication-date=ngày 16 tháng 4 năm 2008| page=[https://archive.org/details/encyclopaediahis00seli/page/n752 736] | ref=harv}}
*{{chú thích sách | last=Teague | first=K.A. | last2=Gallicchio | first2=N. | title=The Evolution of Meteorology: A Look into the Past, Present, and Future of Weather Forecasting | publisher=Wiley | year=2017 | isbn=978-1-119-13615-6 | url=https://books.google.ca/books?id=KNPbDgAAQBAJ&pg=PA12 | pp=12-13 | ref=harv}}
*{{Chú thích sách | tác giả= Wexler| tên=Arnold| tác giả 2=Hyland| tên 2=Richard W.| date=1964| url=https://archive.org/details/nbsstandardhygro73wexl| tựa đề=The NBS standard hygrometer| nhà xuất bản=National Bureau of Standards – United States Department of Commerce | ref=harv}}
*{{ Chú thích sách | last=Wiederhold | first=P.R. | title=Water Vapor Measurement: Methods and Instrumentation | publisher=Taylor & Francis | year=1997 | isbn=978-0-8247-9319-7 | url=https://books.google.ca/books?id=mm5YY1nOJF4C | pp=27-41 | ref=harv}}

[[Thể loại:Dụng cụ và thiết bị khí tượng học]]
[[Thể loại:Nhiệt động lực học khí quyển]]