Độ cứng được gây ra bởi các cation kim loại đa hóa trị. Những ion này có khả năng tạo phản ứng với xà phòng hình thành các chất kết tủa cũng như phản ứng với các anion trong nước tạo thành cặn lắng trong các đường ống dẫn nước nóng, nồi đun, lò hơi… Các cation gây ra độ cứng trong nước chủ yếu là các Ca2+, Mg2+, Sr2+, Fe3+ và Mn2+. Những cation này phản ứng với các anion có sẵn trong nước bảng 3.5. Các ion Al3+ và Fe3+ cũng đóng góp vào nguyên nhân gây ra độ cứng. Tuy nhiên khả năng hòa tan của chúng bị giới hạn bởi giá trị pH của nước tự nhiên và nồng độ của các ion này trong nước rất nhỏ.
Bảng 3.5: Các cation gây nên độ cứng và các anion liên kết với chúng
Cation gây ra độ cứng Anion
Ca2+ HCO3-
Mg2+ SO42-
Sr2+ Cl-
Fe2+ NO3-
Mn2+ SiO32-
Độ cứng chủ yếu bắt nguồn từ sự liên kết của quá trình hình thành đất đá. Nước mưa không có khả năng hòa tan hoàn toàn một lượng lớn chất rắn trong nước tự nhiên. Khả năng hòa tan chỉ đạt được khi có nhiều CO2 được tạo ra từ các hoạt động của các vi khuẩn trong đất.
Nước trong đất chứa một lượng lớn CO2 và khi đó hình thành sự cân bằng dưới dạng axit cacbonic. Dưới điều kiện pH thấp, đá vôi sẽ bị hòa tan. Bởi vì thành phần cấu tạo của đá vôi không chỉ có CO32- mà còn bao gồm các ion khác như SO42, Cl-, SiO32-…Các vật chất trên sẽđược giải phóng từ phản ứng hòa tan của nước khi cacbonat bị hòa tan. Tóm lại nước cứng bắt nguồn từ các khu vực có lớp đất bề mặt dày và có sự hình thành của đá vôi.
Mưa
Hình 3.2: Nguồn gốc của CO2 và sự hòa tan của các chất gây nên độ cứng
Lớp đất
Khu vực hoạt động mạnh của vi sinh vật → một lượng lớn CO2 Xảy ra phản ứng CaCO3↓ + H2CO3 → Ca(HCO3)2
Khu vực hoạt động yếu hơn của vi sinh vật → một lượng nhỏ CO2 Tiếp tục xảy ra phản ứng CaCO3↓ + H2CO3 → Ca(HCO3)2
Đường nứt Tầng chuyển
Khu vực các phản ứng hóa học xảy ra rất mạnh CaCO3↓ + H2CO3 → Ca(HCO3)2