سختی آب، ناشی از وجود میزان بالای یونهای کلسیم و منیزیم محلول در آب است. زمانی که آب (که دارای خاصیت حل کنندگی قوی است) از روی بسترهای سنگی مانند سنگ آهک (با فرمول شیمیایی CaCO3) و یا دولومیت (با فرمول شیمیایی CaMg(CO3)2) عبور می کند، این مواد معدنی بتدریج وارد آب شده و میزان سختی آب را بالا می برند. به همین دلیل عموماً سختی آب چاه از آبهای سطحی بیشتر است.
رسوب ناشی از سختی آب در واقع ترکیبات نامحلول کلسیم و منیزیوم (مانند کربنات کلسیم و سیلیکات منیزیوم) هستند. حلالیت این ترکیبات در آب با افزایش دما کمتر شده و بر روی سطوح رسوب می کنند.
اندازه گیری سختی آب با توجه میزان رسوب گذاری بالای نمک های تشکیل شده از کلسیم و منیزیم (مخصوصاٌ نمک های کربنات کلسیم و منیزیوم) بر روی سطوح و تجهیزات اهمیت بالایی دارد. پارامتر سختی یا به عبارت دقیقتر "سختی کل" (Total Hrdness)، مجموع یون های "کلسیم" و "منیزیم" محلول در آب را در بر می گیرد. شاخص سختی کل با واحدهای mg/lit یا ppm و یا GPG (Grain per Gallon) بیان می شود. هر Grain per Gallon معادل 17.1 mg/lit یا ppm سختی است.
| توضیحات | کیفیت آب از نظر سختی |
میزان سختی (mg/lit) |
| بشدت نرم | 0-50 | |
| خیلی نرم | 50-100 | |
| بازه قابل قبول برای عموم مصرف کنندگان | نرم تا کمی سخت | 100-150 |
| سخت | 150-300 | |
| خیلی سخت | 300> |
فرآیند سختی گیری آب (Water Softening) به معنی جایگزینی کاتیون های کلسیم (++Ca) و منیزیم (++Mg) با کاتیون سدیم (+Na) است. این کار باعث جلوگیری از رسوب گذاری در سیستم ها و تجهیزاتی است که با آب در تماس است.
برای سختی گیری آب از رزینی استفاده می شود که یون متحرک آن از نوع کاتیون سدیم (+Na) باشد. یون های کلسیم و منیزیم موجود در آب دارای سختی ضمن عبور از ستون این رزین، با یون سدیم جایگزین شده و به این ترتیب سختی آّب حذف می شود. هر کدام از یون های کلسیم و منیزیم با توجه به دو ظرفیتی بودن بار الکتریکی، با دو یون سدیم تک ظرفیتی جای خود را تعویض می کنند. این تعویض یون را می توان با فرمول شیمیایی زیر نشان داد:
2RNa + Ca++ → R2Ca + 2Na+1
نحوه انجام این تبادل یونی در شکل زیر نمایش داده شده است. رزین در ابتدا حاوی یون های متحرک سدیم است. ورود هر یون کلسیم و منیزیم به دانه های رزین، با خروج دو یون سدیم از آن همراه است. هیچ آنیونی از آب نمی تواند وارد رزین شود. زیرا همانطور که قبلاً گفته شد، آنیون موجود در رزین (-SO3) بصورت ثابت و چسبیده به ساختار پلیمر رزین است. لذا امکان تبادل یونی با آن وجود نخواهد داشت.
دلیل اصلی تبادل یون رزین در سختی گیری، تمایل (Affinity) بیشتر رزین به جذب سختی بجای یون سدیم است. به زبان ساده تر، رزین یون کلسیم و منیزیم را به یون سدیم ترجیح می دهد. به همین دلیل است که وقتی این نوع رزین در معرض آب حاوی یون های کلسیم و منیزیم قرار می گیرد، آنها را به سرعت جایگزین یون متحرک خود یعنی یون سدیم می کند.
نکته بسیار مهمی که در مورد سختی گیری با رزین تبادل یونی وجود دارد، این است که طبق آنچه در مورد عملکرد رزین در این فرآیند گفته شد، عملاً یونهای سختی با یون سدیم جایگزین می شوند. بنابراین، در سختی گیر رزینی هر چند مقدار سختی کل (Total Hardness) آب کاهش می یابد، اما مقدار کل املاح موجود در آب که معمولاً با شاخص TDS اندازه گیری می شود، تغییر قابل ملاحظه ای نمی کند. در این فرآیند تنها ترکیب املاح در آب تغییر می کند.
طبیعتاً فرآیند سختی گیری بصورت دائم نمی تواند ادامه پیدا کند. زمانی که رزین تمامی یونهای متحرک سدیم خود را از دست داده و با یون های کلسیم و منیزیم جایگزین کرده باشد، رزین اصطلاحاً به حالت "اشباع" می رسد. زمانی که رزین اشباع شود، یا می بایست با رزین تازه تعویض شود و یا "احیا" شود.
یکی دیگر از روشهای پیشگیری از رسوب گیری، استفاده از میدان مغناطیسی است. اثری که میدان مغناطیسی روی رسوب گذاری دارد، از طریق تغییر شکل کریستالهای کربنات کلسیم است. شکل کریستالی کربنات کلسیم که رسوب گذار است، کریستال "کلسیت" می باشد.
مشاهدات آزمایشگاهی نشان داده است که با عبور آب از میدان مغناطیسی، شکل کریستال کربنات کلسیم از حالت "کلسیت" به شکل کریستال "آراگونیت" که نوعی دیگر از کریستالهای کربنات کلسیم است، تبدیل می شود. کریستال "آراگونیت" در آب رسوب نکرده و نهایتاً بصورت لجن از داخل سیستم لوله کشی و تجهیزات براحتی قابل تخلیه می باشد.
میدان مغناطیسی معمولاً توسط یک عدد یا یک جفت آهن ربای دائمی ایجاد می شود. رسوب گیرهای مغناطیسی پکیج بسته به نوع طراحی می توانند در مسیر و یا دور لوله بسته شوند.
