पानी की कठोरता अनिवार्य रूप से द्विसंयोजी धनायनों (मुख्य रूप से Ca²⁺ और Mg²⁺, और इसमें Sr²⁺, Ba²⁺, और Fe²⁺ की थोड़ी मात्रा भी शामिल है) की सांद्रता का माप है।
जल रसायन विज्ञान और इंजीनियरिंग उपचार में, कठोरता को अस्थायी कठोरता और स्थायी कठोरता में वर्गीकृत किया जाता है। अस्थायी कठोरता पानी में बाइकार्बोनेट (HCO₃⁻) और कार्बोनेट (CO₃²⁻) से बंधे कैल्शियम और मैग्नीशियम आयनों की सांद्रता है। चूँकि प्राकृतिक जल का पीएच आमतौर पर 8.3 से नीचे होता है, यह मुख्य रूप से बाइकार्बोनेट (Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂) के रूप में मौजूद होता है।
जब पानी को 60-70 डिग्री से ऊपर गर्म किया जाता है, तो एक थर्मल अपघटन प्रतिक्रिया होती है, जिससे कार्बोनेट अवक्षेपित होते हैं:
Ca(HCO₃)₂ → Δ → CaCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O
Mg(HCO₃)₂ → Δ → MgCO₃ + CO₂↑ + H₂O (मध्यवर्ती उत्पाद, आगे हाइड्रोलाइज्ड होकर Mg(OH)₂)
इसका सैद्धांतिक अधिकतम मूल्य पानी की कुल क्षारीयता (मुख्य रूप से HCO₃⁻) द्वारा सीमित है। जब कुल कठोरता > कुल क्षारीयता, कार्बोनेट कठोरता=कुल क्षारीयता। यह जल संतुलन गणना का मूल है।
स्थायी कठोरता एक नमक है जो कैल्शियम, मैग्नीशियम और सल्फेट (SO₄²⁻), क्लोराइड (Cl⁻), और नाइट्रेट (NO₃⁻) (उदाहरण के लिए, CaSO₄, MgCl₂) जैसे मजबूत एसिड आयनों के संयोजन से बनता है।
इन लवणों में उच्च घुलनशीलता होती है (उदाहरण के लिए, CaSO₄ घुलनशीलता 25 डिग्री पर लगभग 2.1 ग्राम/लीटर होती है), और उबालने के बाद कार्बोनेट अवक्षेप उत्पन्न नहीं करते हैं, इसलिए इसे "स्थायी" कहा जाता है। हालाँकि, उच्च तापमान और दबाव (जैसे बॉयलर में) के तहत, उनकी घुलनशीलता उलट जाती है (बढ़ते तापमान के साथ घट जाती है), एक कठोर, घने कैल्शियम सल्फेट स्केल का निर्माण करती है, जो अधिक हानिकारक है।
अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, गणना और तुलना में आसानी के लिए mg/L CaCO₃ (कैल्शियम कार्बोनेट के रूप में गणना) का उपयोग मानकीकृत इकाई के रूप में किया जाता है।
WHO के *पीने के पानी की गुणवत्ता के लिए दिशानिर्देश* कोई अनिवार्य कठोरता सीमा निर्धारित नहीं करता है, लेकिन इंगित करता है कि आदर्श सीमा 60-120 mg/L हो सकती है, और अत्यधिक कम कठोरता के संक्षारण जोखिम पर जोर देती है (<30 mg/L).
चीन के *पीने के पानी की गुणवत्ता के मानक* 450 मिलीग्राम/लीटर (संवेदी विचारों और पानी के उपयोग के आधार पर) की कठोरता सीमा निर्धारित करते हैं।
संयुक्त राज्य अमेरिका में अधिकांश जल कंपनियाँ 150-200 मिलीग्राम/लीटर से कम कठोरता की सलाह देती हैं।
कैल्शियम कठोरता बनाम मैग्नीशियम कठोरता
Ca²⁺ का 1 mmol/L CaCO₃ के रूप में 100 mg/L का योगदान देता है, जबकि Mg²⁺ का 1 mmol/L CaCO₃ के रूप में 122 mg/L का योगदान देता है। इसका मतलब यह है कि समान द्रव्यमान सांद्रता पर, मैग्नीशियम आयन उच्च दाढ़ कठोरता का योगदान करते हैं।
कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO₃) स्केल सघन और कठोर होता है, जो आमतौर पर गर्म पानी के पाइपों में पाया जाता है। मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (Mg(OH)₂) या मैग्नीशियम सिलिकेट स्केल ढीला और फिसलन वाला होता है, लेकिन उच्च तापमान पर अधिक स्थिर होता है।
Magnesium is an essential element for the human body. Studies have shown a negative correlation between magnesium content in drinking water and cardiovascular disease mortality. The World Health Organization recommends that the magnesium content in drinking water should be >10 mg/L (लगभग 41.5 mg/L CaCO₃ मैग्नीशियम कठोरता के रूप में)।
अनुसंधान इंगित करता है कि 2:1 (Ca:Mg) के करीब द्रव्यमान अनुपात वाला पानी मानव खनिज चयापचय के लिए अधिक फायदेमंद हो सकता है और प्राकृतिक उच्च गुणवत्ता वाले खनिज पानी के अनुपात के करीब है।