用離子交換劑改變水中溶解物質的方法。在給水處理中常用於軟化、除鹽和製備高純水。在廢水處理中常用於電鍍廢水的處理、貴金屬的回收等。
離子交換劑 不溶於水的具有離子的粒料。最早用於水軟化的離子交換劑是沸石（一種礦石碎粒，含鈉的矽酸鹽）。稍後有磺化煤（用發煙硫酸或濃硫酸處理過的煙煤或褐煤，含磺酸基）。現在大量使用的是各種合成離子交換樹脂，有陽、陰之分。陽離子交換樹脂的可交換離子是是鈉離子或氫離子。陰離子交換樹脂的可交換離子是氫氧根離子。離子交換樹脂對水中離子的交換有選擇性，各種樹脂不同。單位重量或體積的樹脂對水中離子的交換量稱交換容量，各種樹脂也不同。所以，在應用時，要對樹脂進行選擇。
離子交換過程 離子交換劑與水接觸時，水中被交換的離子移於交換劑，交換劑上被交換的離子進入水中。這種交換可用反應式表示：B+RA→A+RB，式中B為水中離子；RA為交換劑，A為它的可交換離子。與一般離子反應不同的是，RA為固體。水中同性離子常有多種，交換時按交換劑的選擇特性依次進行。再者，這個反應是可逆的，在大量供應離子 A的情況下，可以把RB再生為RA。
水的硬度是鈣鎂離子造成的。軟化時一般應用鈉型離子交換劑。鈉離子交換水中的鈣、鎂離子，使後者降低到要求的濃度。苦咸水或海水的除鹽（淡化），既要用氫離子交換水中的其他陽離子（主要是鈣、鎂離子），又要用氫氧根離子交換水中的其他陰離子（主要是硫酸根離子和氯離子），所以先用氫型陽離子交換處理，再用氫氧根型陰離子交換劑處理。用這種串聯處理的離子交換技術可以取得蒸發所不能取得的高純度水。為瞭避免交換劑因沾污而縮短壽命，來水在進行離子交換前，常先進行預處理，如過濾加活性炭吸附。
離子交換劑的再生 離子交換劑價格較貴，在交換容量耗竭後常就地再生，繼續使用。用於軟化的交換劑，一般用食鹽溶液（濃度5～8％）再生；用於除鹽的陽離子交換劑；一般用鹽酸（濃度3～4％）再生。陰離子交換劑用氫氧化鈉溶液(濃度2～3％)再生。再生時再生液的流向與交換時原水流向一致的稱順流再生；反之，稱逆流再生。固定床采用逆流再生時，效果良好，生產中廣泛采用。再生後排出的廢液應妥善處置以免污染環境。
設備 離子交換過程常在離子交換器中進行。離子交換器類似壓力濾池，外殼為一鋼罐；離子交換通常采用過濾方式，濾床由交換劑構成，底部為附有濾頭的管系。管路佈置適合交換、再生和反沖洗的需要。同快濾池（見過濾）一樣，這種離子交換器的運行必然是間歇的，再生時不能同時交換。由於再生所需要的時間比較長，於是出現瞭交換與再生分設容器的裝置，以縮短交換器停止工作的時間或使交換器連續運行。有多種設計、共同的特點是原水自下而上的流過交換器。交換劑的下層先飽和，飽和後用水流輸送到再生器進行再生。而儲存在再生器中的再生交換劑則從頂部送回交換器。再生交換劑送回交換器的做法有兩種：一種是借助重力自己落入交換器（再生器設在上面，用一個浮球和交換器分隔，交換器停止工作時，浮球先落，再生交換劑也隨著落下），這種裝置稱移動床裝置。另一種做法是用水流送回交換器，稱流動床裝置。交換劑的輸送常借助於射流泵。