آب سخت(Hard water) آبی است که در آن مقدار زیادی مواد معدنی حل شده، عمدتا کلسیم و گاهی اوقات منیزیم وجود دارد. وقتی که آب باران از روی سنگ های نرم عبور می کند، بعضی از مواد معدنی سنگ ها در آب حل شده و آن را سخت می کند. بدیهی است هر چه مقدار این مواد در آب بیشتر باشد آب سخت تر خواهد بود. سنگ های سخت مانند گرانیت به راحتی در آب حل نمی شوند و در نتیجه نواحی که در آنجا سنگ های سخت وجود دارند، دارای آب نرم خواهند بود.

آب مهمترین ماده خام یا اولیه بر روی کره زمین است. این ماده برای حیات ضروری است و برای  انتقال حرارت و ذخیره انرژی از آن استفاده می شود.

آب خالص، بدون مزه، بی بو و بی رنگ است; اگرچه آب خالص بسیار نادر است. تمامی آب های موجود در طبیعت انواع مختلف و مقادیر متفاوتی از ناخالصی را شامل می شوند.

آب خوب آشامیدنی الزاماً برای استفاده های دیگر (مانند تغذیه یک دیگ) مناسب نیست. مواد معدنی موجود در آب آشامیدنی به آسانی به وسیله بدن انسان جذب می شوند، و برای سلامت انسان ضروری هستند. اگرچه بویلرها توانایی کمتری در کنار آمدن با این مواد دارند و این مواد معدنی اگر درون دیگ بخار باقی بمانند، پس از گرم شدن ایجاد رسوب کرده و به دیگ بخار آسیب خواهند زد.

چرخه آب

97% آب های موجود در جهان در اقیانوس ها قرار دارند و بخش قابل توجهی از آن در یخچال های طبیعی قطب محبوس شده است – تنها 65/. % آب برای مصارف خانگی و صنعتی موجود است.

اگر سیکل آب وجود نداشته باشد این بخش کوچک به سرعت مصرف می شود . بعد از تبخیر، آب به ابر ها تبدیل می شود که این ابر ها در طی حرکتشان تا حدی کندانس (تبدیل بخار به مایع) می شوند و سپس به زمین فرو می ریزند. اگرچه این فرض اشتباه است که آب باران خالص است; در طی ریزش به سمت زمین این آب ناخالاصی هایی مثل اسید کربنیک، نیتروژن، و در فضاهای صنعتی   دی اکسید گوگرد را جذب می کند.

چرخه ی آب

با جذب این مواد، آب تا حدی اسیدی می شود و از میان لایه های بالایی زمین تا سطح آب های زیرزمینی نفوذ می کند، و یا روی سطح زمین جریان می یابد و ناخالصی های اضافی را جمع آوری کرده و در خود حل می کند. به این آب، آب سخت می گویند.

آب سخت

آب به دو شکل سخت (hard) یا نرم (soft) بیان می شود. آب سخت شامل ناخالصی قابل توجهی است و این در حالی است که آب نرم شامل مقدار کمی از ناخالصی هاست و یا بدون ناخالصی است.

این اختلاف را می توان به آسانی با تاثیر آب روی صابون مشاهده کرد. صابون با آب سخت کف نمی کند و یا کمتر کف می کند. سختی به دلیل حضور نمک های معدنی کلسیم و منیزیم ایجاد می شود و این مواد معدنی یا همان سختی، عامل تشکیل رسوب هستند.

این ناخالصی ها ممکن است رسوب هایی را روی سطح انتقال حرارت تشکیل دهد که منجر به یکی از دو حالت زیر شود :

رسوب بر روی لوله ها

• -خوردگی فلز
• -کاهش نرخ انتقال حرارت، که منجر به گرمای بیش از حد و از دست رفتن استحکام مکانیکی و گاهی هم آسیب رسیدن به سطوح انتقال حرارت می شود.

 نام های تکنیکی و معمول ناخالصی ها، نماد های شیمیایی و تاثیرات آنها را نشان می دهد

Effect	Common name	Symbol	Name
Soft Scale	Chalk, limestone	CaCO3	Calcium carbonate
Soft Scale + Co2		Ca(HCo3)2	Calcium Bicarbonate
Hard Scale	Gypsum, plaster of paris	CaSo4	Calcium Sulphate
Corrosion		CaCl2	Calcium chloride
Soft Scale		MgCo3	Magnesium Carbonate
Corrosion	Magnesite	MgSo4	Magnesium Sulphate
Scale , Corrosion	Epsom Salts	Mg(HCo3)2	Magnesium Bicarbonate
Electrolysis	Common Salts	NaCl	Sodium chloride
Alkalinity	Washing soda or soda	Na2Co3	Sodium carbonate
Priming , foaming	Baking Soda	NaHCo3	Sodium bicarbonate
Alkalinity , embrittlement	Caustic soda	NaOH	Sodium Hydroxid
Alkalinity	Glauber Salts	Na2So2	Sodium Sulphate
Hard Scale	Silica	SiO2	Silicon Dioxide

سختی در آب بصورت غلظت کاتیون هایِ چند ظرفیتی تعریف می شود. کاتیون های چند ظرفیتی کاتیون هایی ( ترکیبات فلزی باردار مثبت ) هستند که بار آن ها از 1+ بیشتر باشد. عمدتا دارای باری برابر با 2+ می باشند. این کاتیون ها شامل Ca2+ و Mg2+  می باشد. این یون ها از طریق فرآیند سنگ شویی از مواد معدنی موجود در سفره های آب زیر زمینی وارد آب می شوند. مواد معدنی معمول کلسیم دار عبارتند از سنگ آهک و سنگ گچ. یک ماده معدنی منیزیم دار معمول نیز دولومیت می باشد (که البته دارای کلسیم نیز هست). آب باران و آب مقطر نرم هستند، چراکه غلظت یونها در آنها کم می باشد.

واکنش تعادلی زیر حل شدن و نیز تشکیل رسوب کربنات کلسیم را شرح می دهد:

CaCO3- + CO2 + H2O ⇋ Ca2+  + 2HCO3

واکنش تعادلی تشکیل رسوبات کربنات کلسیم

ناخالصی های موجود در آب

ناخالصی های معمول موجود در آب خام را می توان به شکل زیر نیز دسته بندی کرد :

• جامدات محلول: موادی هستند که در آب حل می شوند .

اجزای اصلی این جامدات کربنات ها و سولفات های کلسیم و منیزیم هستند.

جامدات محلول دیگری نیز وجود دارد که مقیاس شکل گیری آنها نسبت به کلسیم و منیزیم بسیار پایین تر است.

در عمل، هر نوعی از نمک محلول تشکیل شده در داخل آب دیگ بخار باید تحت تغییر شیمیایی قرار بگیرند به طوری که آنها به جای تشکیل رسوب، لجن تولید کرده و در کف بویلر ته نشین شوند.

• جامدات معلق: این ها موادی هستند که در آب به عنوان اجزا معلق وجود دارند .

این مواد معمولاً معدنی، یا ذاتاً آلی هستند.

این مواد به طور کلی تا زمانی که بتوان فیلترشان کرد مشکلی ایجاد نمی کنند.

• گاز های حل شده: اکسیژن و دی اکسید کربن به آسانی می توانند در آب حل شوند .

این گازها از محرکین تشدید فرایند خوردگی هستند .

• مواد تشکیل دهنده رسوب: این مواد ناخالصی های معدنی هستند که به صورت فوم یا تفاله (رسوب) وجود دارند.

به عنوان مثال در این زمینه می توان از سودا (سدیم کربنات) در غالب کربنات ها، کلرید ها و سولفات ها نام برد.

میزان ناخالصی موجود بسیار کوچک است و آنها معمولاً در هر آنالیزی از آب، به شکل (ppm)، وزن یا معادل آن (mg/L) نشان داده می شوند .

انواع سختی آب

1. سختی موقت (قلیایی)

اثرات این نوع سختی را می توان با جوشاندن آب در یک محفظه باز از بین برد. این آبها معمولا شامل بی کربنات HCO3- و در کنار آن مقادیر کوچک کربنات CO32+ به عنوان عمده یون های منفی می باشد. جوشاندن آب واکنش زیر را ممکن می سازد:

CO32+ با Ca2+ و Mg2+  واکنش داده و کربنات کلسیم و منیزیم حل ناشدنی را تشکیل می دهد که از آب رسوب می کنند.  به دلیل ایجاد این رسوب و جدا شدن سختی از آب، به این نوع از سختی، سختی موقت می گویند که این سختی برای بویلر ها بسیار مخرب است.

سختی قلیایی یا موقت

      2.  سختی دائمی

آبهایی که شامل دیگر آنیون ها نظیر کلرید یا سولفات هستند و نمی توان آن را با فرآیند جوشش اصلاح کرد، سخت دائم می نامند. تنها راه عملی برای اصلاح این آب ها پاک کردن یون از آن می باشد که این امر به روش های گوناگونی که در ادامه خواهد آمد قابل اجرا می باشد.

سختی غیر قلیایی یا دائم

سختی کلی

مزایا و معایب آب سخت

چند واقعیت در مورد آب سخت (مزایا و معایب آب سخت):

1. رسوباتی که در اثر ته نشین شدن مواد معدنی از آب سخت تشکیل می گردند، (که عمدتا عبارتند از کربنات کلسیم، هیدروکسید منیزیم و سولفات کلسیم و اصولا بدلیل تجزیه گرمایی یون های بی کربنات بوجود می آیند)  بصورت مواد جامد چسبنده به سطوح لوله ها و به ویژه روی سطوح داغ مبدل حرارتی و بویلر ها می چسبند، که این امر باعث مسدود شدن لوله ها  می شود  و در بویلر ها نیز بصورت عایق حرارتی عمل کرده و مانع جریان یافتن حرارت به آب می شود که این امر نه تنها بازدهی حرارتی را کاهش می دهد، بلکه باعث بیش از حد گرم شدن فلز شده که این امر در سیستم های تحت فشار می تواند منجر به شکست فاجعه باری گردد. ولی از طرف دیگر، این رسوبات مانع تماس مستقیم آب با فلز لوله شده و در نتیجه از خوردگی لوله و حل شدن نمک های فلزی سمی در آب جلوگیری می کند.
2. صابون با آب سخت کف خوبی تولید نمی کند و نیز واکنش کاتیون های فلزی با صابون رسوبات ناخوشایندی را تولید می کند.
3.  رسوباتی که در سر شیر های آب، شیر های آب و سطح حمام تشکیل می شوند ناشی از تبخیر می باشند نه ته نشین شدن.
4.  نگهداری مو ها وقتی با آب سخت شسته شده باشد، سخت تر است.
5. اگر چه کلسیم قسمت ضروری از یک رژیم سالم برای رشد استخوان ها و دندان ها می باشد، اما کربنات کلسیم موجود در آب سخت خیلی مشکل تر از کلسیم موجود در مواد غذایی جذب می شود.
6.  آب سخت امکان ابتلا به امراض قلبی را کاهش می دهد.

رسوب

اندازه گیری سختی آب

سختی بوسیله تحلیل های آزمایشگاهی قابل درجه بندی است. سختی کل که شامل هر دو یون های Ca2+ و Mg2+  می باشد، بصورت قسمت در میلیون (ppm) یا  (mg/L)، میلی گرم کربنات کلسیم (CaCO3) در لیتر آب، بیان می شود. اگر چه سختی آب معمولا تنها غلظت کل کلسیم و منیزیم را اندازه می گیرد، در بعضی مکان ها آهن، آلومینیم، و منگنز نیز می تواند در سطوح بالاتر در آنالیز وجود داشته باشند.

ترکیب دقیق مواد معدنی حل شده در آب و PH آب و دمای آن، باعث می شود تا برای تعیین رفتار سختی، یک مقیاس تک عددی مناسب نباشد. تعیین سختی با توجه به حدود غلظت مواد معدنی بصورت زیر درجه بندی می شود:

طبقه بندی آب از نظر سختی

( ارائه شده توسط موسسه کیفیت آب آمریکا )

نرم	1 تا 17.1 ppm
اندکی سخت	17.1تا 60 ppm
متوسط سخت	60 تا 120  ppm
سخت	120 تا 180 ppm
خیلی سخت	بیش از 180 ppm

محاسبه سختی آب:

در متون مختلف از مقیاس های گوناگونی برای بیان سختی آب استفاده می شود. اگر مقادیر کلسیم و منیزیم بر حسب mg/L داشته باشیم، سختی بر حسب mg/L ) ppm) بصورت زیر محاسبه می شود:

= (Ca x 2.5) + (Mg x 4.12)سختی بر حسب mg/L

دیگر مقیاس های سختی در آب نیز عبارتند از:

• پارت در میلیون (ppm): عبارت است از یک میلی گرم کربنات کلسیم (CaCO3) در یک لیتر از آب
• دانه در گالن (gpg): یک دانه (64.8 mg) از کربنات کلسیم در گالن (3.79 litres) یا 17.118 ppm
• میلی مول بر لیتر (mmol/L): عبارت است از یک میلی مول از کلسیم (   CaCO3 ) در لیتر از آب که برابر است با 100.09 ppm . چرا که جرم مولی کربنات کیسیم برابر است با 100.09 g/mol .
• درجه سختی کلی (dGH): عبارت است از 10 میلی گرم از اکسید کلسیم در یک لیتر آب که معادل است با 17.848 ppm .

 درجه های متنوع دیگر :

• درجه کلارک (lark) یا درجه انکلیسی(°e or e) : عبارت است از یک دانه از کربنات کلسیم در یک ایمپریال گالن (4.55 litres) از آب، که معادل 14.254 ppm می باشد.
• درجه آلمانی (Deutsche Härte, °dH or dH) : عبارت است از 10 میلی گرم از اکسید کلسیم در لیتر از آب، که معادل است با 17.848 ppm .
• درجه فرانسوی (°F or f) : عبارت است از 10 میلی گرم از کربنات کلسیم در لیتر از آب، که معادل است با 10 ppm .
• درجه آمریکایی: عبارت است از یک میلی گرم از کربنات کلسیم در یک لیتر از آب، که معادل است با 1 ppm .

کیفیت آب و تغییرات منطقه ای

کیفیت آب می تواند به صورت چشم گیری از یک منطقه نسبت به منطقه دیگر و متناسب با منابع آبی آن منطقه، مواد معدنی موجود در آب، تغییر کند.

سختی آب در شهر های مختلف ایران:

Incidence of Urinary Calculi in Provincial Capitals of Iran and Tap Water Data
Stone risk index	Magnesium, mg/L	Bicarbonate, mg/L	Calcum, mg/L	Water Hardness, ppm	Calculus incidence, per 100 000/y	City
0.0194	17.5	176.7	60	233.4	3222	Ilam
0.0515	6.1	178.3	56	159.3	1420	Sanandadj
…	…	…	60	558.5	854	Bushehr
0.0046	36.7	379.1	64	412.7	577	Sari
…	…	…	55	298.8	564	Birjand
0.0072	42.0	175.3	53	382.8	506	Rasht
0.0078	34.8	246.8	67	277.3	500	Shahrekord
0.0245	13.3	168.8	55	57.4	471	Urmia
…	…	…	52	359.2	449	Arak
0.0328	65.1	26.2	56	571.1	379	Semnan
0.0127	20.8	234.7	62	227.6	374	Tabriz
0.026	11.9	187.5	58	212.9	302	Kermanshah
0.0075	28.7	260.2	56	367.1	298	Gorgan
…	…	…	55	278.8	294	Mashhad
0.0066	20.9	406.0	56	419.9	253	Ardebil
0.0102	40.4	152.9	63	443.7	234	Qom
0.0198	19.2	157.8	60	193.1	233	Hamedan
0.0015	96.4	380.4	55	554.6	213	Boujnord
…	…	…	60	135.0	202	Qazvin
…	…	…