Sửa đổi Nước cứng

{{mới}}[[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 (Ca<sup>2+</sup>) và magie (Mg<sup>2+</sup>).<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 Ca<sup>2+</sup> và Mg<sup>2+</sup>. 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]] (CO<sub>2</sub>) có trong không khí. Khí CO<sub>2</sub> 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 CO<sub>2</sub> vào nước 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 CO<sub>2</sub> 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 (Ca<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup>) cùng hai anion cacbonat và hidro cacbonat ({{chem2|CO3(2−)}}, {{chem2|HCO3−}}). Hàm lượng cation Ca<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup> 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 + &Delta;H -> CaCO3&darr; + H2O + CO2&uarr;}}
Với &Delta;H 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 CaCl<sub>2</sub>, CaSO<sub>4</sub>, MgCl<sub>2</sub>, MgSO<sub>4</sub>. 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 CO<sub>2</sub>; các ion Ca<sup>2+</sup> và Mg<sup>2+</sup> 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 Ca<sup>2+</sup> và Mg<sup>2+</sup> 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 (C<sub>17</sub>H<sub>35</sub>COO<sup>−</sup>) 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>
:C<sub>17</sub>H<sub>35</sub>COO–Na → C<sub>17</sub>H<sub>35</sub>COO<sup>−</sup> + Na<sup>+</sup>
:2 C<sub>17</sub>H<sub>35</sub>COO<sup>−</sup> + Ca<sup>2+</sup> → (C<sub>17</sub>H<sub>35</sub>COO)<sub>2</sub>Ca&darr;
Đối với các đồ dùng trong nhà bếp để đun nấu như [[Ấm nước|bình nấu nước]] hoặc [[bình nóng lạnh]], CaCO<sub>3</sub> 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]] (CaCO<sub>3</sub>) và [[magie cacbonat]] (MgCO<sub>3</sub>) 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.''"<br />"''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&nbsp;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 \sSO<sub>3</sub><sup>-</sup>. Cation trong polyme là natri (Na<sup>+</sup>) sẽ ''trao đổi'' với cation canxi (Ca<sup>2+</sup>) trong nước cứng theo phản ứng hóa học sau:<ref name="McEachern Wist Lehr 2009 p. 44" />

:2 R\sSO<sup>3-</sup>\sNa<sup>+</sup> + Ca<sup>2+</sup> <-> (R\sSO<sub>3</sub><sup>-</sup>)<sub>2</sub>Ca + 2 Na<sup>+</sup>
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 Ca<sup>2+</sup> và Mg<sup>2+</sup>, đồng thời chứa ion Na<sup>+</sup> 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 Ca<sup>2+</sup> và liên kết lại với cation Na<sup>+</sup>.<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:

:|Na<sub>2</sub>Z + Ca<sup>2+</sup> <-> CaZ + 2 Na<sup>+</sup>
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 (SiO<sub>2</sub>) 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 (Ca<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup>), mà còn yêu cầu phải loại bỏ toàn bộ chất rắn hòa tan từ các ion khác như Na<sup>+</sup>, SiO<sub>2</sub>, Cl<sup>-</sup>, SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>, NO<sub>3</sub><sup>-</sup>. 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<sup>+</sup>). 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:

:CaSO<sub>4</sub> + H<sub>2</sub>Z -> CaZ + H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
:Ca(HCO<sub>3</sub>)<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>Z -> CaZ + 2 H<sub>2</sub>O + 2 CO<sub>2</sub>
:2 NaCl + H<sub>2</sub>Z -> Na<sub>2</sub>Z + 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 SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>, Cl<sup>-</sup>, NO<sub>3</sub><sup>-</sup> sẽ được trao đổi với ion hydroxit (OH<sup>-</sup>). 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:

:H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> + Z(OH)<sub>2</sub> -> ZSO<sub>4</sub> + 2 H<sub>2</sub>O
:2 HCl + Z(OH)<sub>2</sub> -> ZCl<sub>2</sub> + 2 H<sub>2</sub>O

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 H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> 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 H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>, 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 Ca<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup> ra khỏi nước dựa trên cơ sở [[tính tan]] thấp của CaCO<sub>3</sub> và Mg(OH)<sub>2</sub> bằng cách dùng [[Canxi hydroxit|vôi tôi]] (Ca(OH)<sub>2</sub>) và [[Natri cacbonat|sođa]] (Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>). Sau đó, các hợp chất kết tủa CaCO<sub>3</sub> và Mg(OH)<sub>2</sub> 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 Ca<sup>2+</sup> và pH 10,6 đối với Mg<sup>2+</sup>). Do vậy, vôi tôi (Ca(OH)<sub>2</sub>) 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)<sub>2</sub> được cho vào nước. Ca(OH)<sub>2</sub> phản ứng với các ion độ cứng theo cơ chế dịch chuyển cân bằng từ HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> thành CO<sub>3</sub><sup>2-</sup> và tạo thành hợp chất CaCO<sub>3</sub> ít tan. Các phản ứng xảy ra trong quá trình làm mềm nước cứng bao gồm:<ref name="SUEZ Handbook - Chapter 8" />
:H<sub>2</sub>O + CO<sub>2</sub> + Ca(OH)<sub>2</sub> -> CaCO<sub>3</sub>&darr; + 2 H<sub>2</sub>O
:Ca(HCO<sub>3</sub>)<sub>2</sub> + Ca(OH)<sub>2</sub> -> 2 CaCO<sub>3</sub>&darr; + 2 H<sub>2</sub>O
:Mg(HCO<sub>3</sub>)<sub>2</sub> + 2 Ca(OH)<sub>2</sub> -> 2 CaCO<sub>3</sub>&darr; + Mg(OH)<sub>2</sub>&darr; + 2 H<sub>2</sub>O

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>
:CaSO<sub>4</sub> + Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> -> CaCO<sub>3</sub>&darr; + Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
:CaCl<sub>2</sub> + Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> -> CaCO<sub>3</sub>&darr; + 2 NaCl
:MgSO<sub>4</sub> + Ca(OH)<sub>2</sub> + Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> -> Mg(OH)<sub>2</sub>&darr; + CaCO<sub>3</sub>&darr; +  Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
:MgCl<sub>2</sub> + Ca(OH)<sub>2</sub> -> Mg(OH)<sub>2</sub>&darr; + CaCl<sub>2</sub>

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&nbsp;°C. Đối với phương pháp vôi–sođa nóng, nhiệt độ nước từ 105&nbsp;°C đến 115&nbsp;°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)<sub>2</sub> 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 CaCO<sub>3</sub>.<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 &mu;m, bao gồm những ion muối khoáng hòa tan như Cl<sup>-</sup>, SO<sub>4</sub><sup>2-</sup>, Na<sup>+</sup>, K<sup>+</sup>, Ca<sup>2+</sup>, Mg<sup>2+</sup>, 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 Ca<sup>2+</sup> và Mg <sup>2+</sup> 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 CaCO<sub>3</sub>/L).<ref name="TCVN 6224 1996" />

:{| class="wikitable"
|+ Bảng quy đổi đơn vị độ cứng của nước
|-
!  || 1&nbsp;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-CaCO<sub>3</sub>/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 Ca<sup>2+</sup> và Mg<sup>2+</sup>) là khoảng 6.558 mg/L theo CaCO<sub>3</sub>, 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 CaCO<sub>3</sub> 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>
:H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> <-> HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> + H<sup>+</sup>
:HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> <-> CO<sub>3</sub><sup>2-</sup> + H<sup>+</sup>

Chỉ số bão hòa Langelier được xác định bằng hiệu số giữa độ pH đo được của nước (pH<sub>a</sub>) và độ pH khi bão hòa CaCO<sub>3</sub> (pH<sub>s</sub>), 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 = pH<sub>a</sub> &minus; pH<sub>s</sub>

* Nếu LSI > 0, nước có xu hướng hình thành cáu cặn do quá bão hòa CaCO<sub>3</sub>. 
* Nếu LSI < 0, nước có xu hướng hòa tan CaCO<sub>3</sub> 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 CaCO<sub>3</sub>, 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 CaCO<sub>3</sub> (pH<sub>s</sub>) được tính theo công thức sau:<ref name="Roberge Revie 2007 p.373" />
:pH<sub>s</sub> = (9,3 + A + B) – (C + D)
Trong đó:
:A = {{sfrac|log<sub>10</sub>[TDS] − 1|10}}
:B = −13,12 × log<sub>10</sub>(°C + 273) + 34,55
:C = log<sub>10</sub> [Ca<sup>2+</sup>] &minus; 0,4
:D = log<sub>10</sub> [A<sub>CaCO<sub>3</sub></sub>]

:''Ghi chú'':
:: [TDS]: [[Tổng chất rắn hòa tan]] (mg/L)
:: [Ca<sup>2+</sup>]: Nồng độ Ca<sup>2+</sup> tính theo CaCO<sub>3</sub> (mg/L hoặc ppm)
:: [A<sub>CaCO<sub>3</sub></sub>]: [[Độ kiềm của nước|Độ kiềm]] tính theo CaCO<sub>3</sub> (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&nbsp;°C
:: pH = 7,5
:: TDS = 320&nbsp;mg/L
:: Canxi = 150&nbsp;mg/L (or ppm) tính theo CaCO<sub>3</sub>
:: Độ kiềm A = 34&nbsp;mg/L (or ppm) tính theo CaCO<sub>3</sub>

: Công thức tính chỉ số bão hòa LSI:
:: LSI = pH<sub>a</sub> − pH<sub>s</sub>
:: pH<sub>s</sub> = (9,3 + A + B) − (C + D) với:
:: A = {{sfrac|log<sub>10</sub>[TDS] − 1|10}} = 0,15
:: B = −13,12 × log<sub>10</sub>(°C + 273) + 34,55 = 2,09 (ở điều kiện nhiệt độ 25&nbsp;°C)
:: C = log<sub>10</sub>[Ca<sup>2+</sup>] – 0,4 = 1,78
:: D = log<sub>10</sub>[A<sub>CaCO<sub>3</sub></sub>] = 1,53
:: pH<sub>s</sub> = (9,3 + 0,15 + 2,09) – (1,78 + 1,53) = 8,23 
:: LSI = 7,5 – 8,23 = &minus;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 CaCO<sub>3</sub>; 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 pH<sub>s</sub> &minus; pH
: pH<sub>s</sub>: pH ở điều kiện bão hòa CaCO<sub>3</sub>
: 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 CaCO<sub>3</sub>, 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 CaCO<sub>3</sub>). 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 pH<sub>cb</sub> &minus; pH<sub>s</sub> 
Với pH<sub>cb</sub> = 1,465 &times; log<sub>10</sub>[A] + 4,54.

Độ kiềm: [A] = [HCO<sub>3</sub><sup>-</sup>] + 2[CO<sub>3</sub><sup>2-</sup>] + [OH<sup>-</sup>].
* 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]]