ความกระด้างของน้ำ (water hardness) คือน้ำที่มีส่วนผสมของธาตุโลหะที่อยู่ในสภาพไอออนที่มีประจุบวก (cation) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพไอออนที่มีประจุ +2 ทำให้น้ำมีแรงตึงผิว (surface tension) มาก เกิดฟองกับสารซักฟอก (detergent) ได้ยาก

ไอออนของโลหะที่มีอยู่ในน้ำกระด้าง เช่น

• แคลเซียมไอออน (Ca²⁺)
• แมกนีเซียมไอออน (Mg²⁺) 
• ธาตุอื่นๆ เล็กน้อย เช่น เหล็ก (II) ไอออน (Fe²⁺) , แมงกานีส (II) ไอออน (Mn²⁺) และ สทรอนเซียมไอออน (Sr²⁺)

โดยทั่วไปใช้ปริมาณเกลือแคลเซียมและแมกนิเซียมเป็นตัวชี้วัดความกระด้างของน้ำ

สาเหตุที่น้ำมีความกระด้าง

น้ำมีความกระด้าง เกิดจากการที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ หรือเกิดจากการย่อยสลายสารอินทรีย์บนชั้นผิวหน้าดินโดยแบคทีเรียแล้วรวมตัวกับน้ำเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (carbonic acid) ซึ่งเป็นกรดอ่อน เมื่อไหลซึมไปสัมผัสกับชั้นหินที่เป็นด่าง โดยเฉพาะชั้นหินปูนซึ่งมีแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) และแมกนีเซียมคาร์บอเนต (MgCO₃) เป็นองค์ประกอบหลัก จะละลายหินปูนมากับน้ำทำให้มีปริมาณ Ca²⁺ และ Mg²⁺ มากขึ้น ส่งผลให้ความกระด้างของน้ำเพิ่มขึ้น

ระดับความกระด้างของน้ำ

ค่าความกระด้างของน้ำแสดงได้ด้วยค่า total hardness ซึ่ง คำนวณเป็นแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) มีหน่วยเป็น มิลลิกรัมต่อลิตร (หรือ 1 ส่วนในล้านส่วน, ppm)

ประเภทของน้ำกระด้างและการแก้ไขความกระด้างของน้ำ

ความกระด้างในน้ำที่มีอยู่ทุกประเภท จะรวมเรียกว่า ความกระด้างทั้งหมด (total hardness)

แบ่งตามไอออนที่มีอยู่ในน้ำได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้

ความกระด้างชั่วคราว (temporary hardness) หรือความกระด้างคาร์บอเนต (carbonate hardness) ซึ่งได้แก่ คาร์บอเนตไอออน (CO₃^2- ) และไบคาร์บอเนตไอออน (HCO₃^- ) โดยส่วนใหญ่ในน้ำจะเป็นจำพวก Ca(HCO₃)₂ ซึ่งเมื่อทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น เช่น การต้มน้ำให้เดือดจะสามารถกำจัดความกระด้างประเภทนี้ได้ เพราะเมื่อถูกความร้อนจะตกตะกอนกลายเป็นหินปูน

• Calcium hardness ไอออนประจุบวกในน้ำส่วนใหญ่เป็น Ca 2+
• Magnesium hardnessไอออนประจุบวกในน้ำส่วนใหญ่เป็น Mg 2+

ความกระด้างถาวร (permanent hardness) เป็นความกระด้างที่ไม่ใช่เกิดจากเกลือคาร์บอเนต (non-carbonate hardness) ซึ่งเกิดจากไอออนอื่น ได้แก่ ซัลเฟตไอออน (SO₄^2- ) คลอไรด์ไอออน (Cl^-) ซึ่งอยู่ในรูปเกลือ ได้แก่ แคลเซียมซัลเฟต และแคลเซียมคลอไรด์ หรือ แมกนีเซียมซัลเฟต และแมกนีเซียมคลอไรด์ ละลายอยู่ ความกระด้างประเภทนี้ไม่สามารถถูกกำจัดได้ด้วยการต้มน้ำให้เดือด จะต้องทำให้ไอออนที่มีอยู่ตกตะกอน แล้วอาจแยกออกด้วยการกรองสารเคมีที่ไช้แก้ไขความกระด้างถาวร ได้แก่

• ปูนขาว (แคลเซียมไฮดรอกไซด์, Ca(OH)₂ ) และ โซดาแอช (โซเดียมคาร์บอเนต, Na₂CO₃) เติมลงไปเพื่อตกตะกอนความกระด้างถาวรชนิดคลอไรด์และซัลเฟตของแคลเซียมและแมกนีเซียมให้เกิดตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนตและแมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ เพื่อทำปฏิกิริยาทางเคมีเปลี่ยนรูปเกลือแคลเซียมและแมกนีเซียมซึ่งอยู่ในรูปสารละลายในน้ำให้อยู่ในรูปตะกอน

  ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างไบคาร์บอเนตโดยใช้ปูนขาว

  Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ ---------->2 CaCO₃ + 2H₂O

  Mg(HCO₃) 2 + Ca(OH)₂ -----------> 2 CaCO₃ + Mg(OH)₂

  ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างแมกนีเซี่ยมด้วยปูนขาว

  MgCO₃ + Ca(OH)₂ ----------> CaCO₃ + Mg(OH)₂

  MgSO₄ + Ca(OH)₂ -----------> Mg(OH)₂ + CaSO₄

  MgCl₂ + Ca(OH)₂ -----------> Mg(OH)₂ + CaCl₂

  ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างถาวรเนื่องจากคลอไรด์และซัลเฟตของเกลือแคลเซียม

  ด้วยโซดาแอช

  CaSO₄ + Na₂CO₃----------> CaCO₃ + Na₂SO₄

  CaCl₂ + Na₂CO₃ ----------->CaCO₃ + NaCl

  ปฏิกิริยากำจัดความกระด้างบางชนิดคลอไรด์ และซัลเฟตของแมกนีเซี่ยมด้วยปูนขาว

  ปูนขาวและโซดาแอช

  MgSO₄ + NaCO₃ + Ca(OH)₂-------->Mg(OH)₂ + CaCO₃ + Na₂SO₄

  MgCl₂ + NaCO₃ + Ca(OH)₂ ---------->Mg(OH)₂ + CaCO₃ + 2NaCl

  ปฏิกิริยาระหว่างแคลเซียมคลอไรด์กับแมกนีเซียมคาร์บอเนตและโซดาแอชที่เหลือ

  MgCO₃ + CaCl₂--------> MgCl₂ + CaCO₃

  Na₂CO₃ + CaCl₂ --------> 2NaCl + CaCO₃

• สารส้ม เป็นสารช่วยตกตะกอน เพื่อให้ตะกอนจับตัวกันเป็นก้อนใหญ่ และเกิดปฏิกิริยาเคมีเร่งให้เกิดการตกตะกอนได้เร็วยิ่งขึ้น
• สารจับโลหะ (chelating agent) ได้แก่ EDTA

ความกระด้างเทียม (pseudo hardness) ในกรณีที่น้ำนั้นมีปริมาณ Ca²⁺ และ Mg²⁺ น้อยแต่มีปริมาณของโซเดียมไอออน (Na⁺) สูงมากเพียงพอจะทำให้น้ำนั้นไม่เป็นฟองกับสบู่ได้

ความสำคัญของความกระด้างน้ำกับน้ำบริโภคและน้ำที่ใช้ในการแปรรูปอาหาร

• ผลต่อรสชาติของน้ำ เกลือแร่ที่มีอยู่ในน้ำมีผลต่อรสชาติของน้ำดื่ม (ดูมาตรฐานคุณภาพน้ำบริโภค) และอาหารที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ
• ผลต่อการล้างทำความสะอาด น้ำกระด้างทำให้เกิดคราบตกค้างอยู่นบนพื้นผิวของเครื่องใช้ ภาชนะต่างๆ และเครื่องจักรท่ีใช้แปรรูปอาหาร (food processing equipment) ที่มีพื้นผิวสัมผัสอาหาร (food contact surface) ถ้าเป็นตะกอนหรือคราบอ่อน เรียกว่า fur แต่ถ้าเป็นคราบแข็ง เรียกว่า scale คราบที่เกิดจะทำให้ผิวหน้าหยาบขึ้น เกิดการสะสมของสิ่งสกปรกต่างๆ ได้ง่ายโดยเฉพาะจุลินทรีย์ ทำให้การล้างทำความสะอาดพื้นผิวยากกว่าพื้นผิวเรียบ
• ผลต่อการไหลของน้ำและไอน้ำ น้ำกระด้างทำให้เกิดตะกรันภายในท่อไอน้ำ รูระบายไอน้ำ ทำให้รูหรือท่ออุดตัน น้ำหรือไอน้ำไหลผ่านไม่สะดวก
• ต่อความปลอดภัยของอาหารและสิ้นเปลืองพลังงาน การสะสมของตะกรัน เรียกว่า fouling หากเกิดบนพื้นผิวเครื่องจักรที่ใช้เพื่อการแปรรูปอาหารด้วยความร้อน (thermal processing) โดยเฉพาะระบบการฆ่าเชื้อแบบต่อเนื่อง (in-line pasteurization) ได้แก่ อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเช่น plate heat exchange คราบตะกรันที่พอกหนาขึ้น จะเป็นเหมือนฉนวน ทำให้ลดประสิทธิภาพของการถ่ายเทความร้อน ซึ่งทำให้การฆ่าเชื้ออาหารไม่สมบูรณ์ และอาจทำให้มีจุลินทรีย์ หลงเหลืออยู่จนเป็นอันตรายต่อผู้บริโภค เนื่องจากการฆ่าเชื้อไม่สมบูรณ์ หรือทำให้ต้องใช้พลังงานเพิ่มขึ้นเพื่อให้ได้ปริมาณความร้อนเท่าที่ต้องการ
• ต่อคุณภาพของขนมปัง ในผลิตภัณฑ์เบเกอรี่ น้ำอ่อนไม่เหมาะสำหรับทำขนมปัง เพราะทำให้กลูเตน (gluten) ไม่แข็งแรง ทำให้แป้งโด (dough) ที่ผสมเสร็จแล้วเหนียวแฉะติดมือ แป้งโดกักเก็บแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ยีสต์ (yeast) ผลิตระหว่างการหมักได้น้อย ขนมปังจะมีปริมาตรน้อย แบนราบ แต่ถ้าจำเป็นต้องใช้น้ำอ่อนในการทำขนมปัง ควรจะเพิ่มเกลือในสูตรประมาณ 2 - 5 เปอร์เซ็นต์ หรืออาจจะเพิ่มยีสต์ให้มากขึ้น เพื่อให้ยีสต์ผลิตแก๊สได้ตามปกติและกลูเตนจะกักเก็บแก๊สได้ดีระหว่างการหมัก ทำให้แป้งที่ผสมแล้วมีลักษณะนุ่มพอดี ไม่เหนียวติดมือหรือแข็งกระด้าง แต่การใช้น้ำกระด้างมากในการผลิตขนมปัง ทำให้ไม่เหมาะกับการเจริญของยีสต์. กลูเตนจับตัวกันแน่น การขึ้นฟูของปริมาตรโด (dough) น้อยลง ขนมปังแข็ง