การแลกเปลี่ยนไอออนเป็นกระบวนการทางเคมีที่อิออนแลกเปลี่ยนระหว่างสองสารละลายอิเล็กโทรไลต์หรือระหว่างสารละลายอิเล็กโทรไลต์และโครงสร้างเมทริกซ์ที่เป็นของแข็งที่รู้จักกันในชื่อพอลิเมอร์แลกเปลี่ยนไอออน เมื่อสารละลายอิเล็กโทรไลต์ทำปฏิกิริยากับโพลีเมอร์หรือเรซินอิออนจากสารละลายจะถูกดักจับและยึดติดกับสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งซึ่งจะปล่อยไอออนต่าง ๆ ที่มีประจุเดียวกัน การแลกเปลี่ยนประจุบวกเกิดขึ้นเมื่อมีการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่มีประจุบวกในขณะที่การแลกเปลี่ยนประจุลบเกิดขึ้นเมื่อมีการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่มีประจุลบ
การแลกเปลี่ยนไอออนอาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติผ่านแร่อะลูมิโนซิลิเกตที่เรียกว่าซีโอไลต์ซึ่งพบได้ในดินเหนียว ระดับการแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่เกิดขึ้นในดินสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ความสามารถของดินในการกักเก็บสารอาหาร นอกจากนี้ยังเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดความบริสุทธิ์ของน้ำใต้ดิน
ในการตั้งค่าทางอุตสาหกรรมการแลกเปลี่ยนไอออนจะเกิดขึ้นผ่านการใช้โพลิเมอร์อินทรีย์สังเคราะห์ โพลีเมอร์แลกเปลี่ยนไอออนอาจถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อกรองไอออนบางตัวโดยเฉพาะจากสารละลาย โพลีเมอร์แลกเปลี่ยนไอออนมีอยู่ด้วยกันสี่ประเภทหลัก ๆ ที่มีคุณสมบัติเป็นไอออนและคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกัน: เรซินฐานไอออนที่แข็งแกร่ง, เรซินฐานไอออนที่อ่อนแอ, เรซินไอออนบวกไอออนที่แข็งแกร่งและเรซินไอออนบวกกรดอ่อน
นอกเหนือจากสี่กลุ่มนี้ยังมีเรซินแลกเปลี่ยนชนิดอื่นอยู่ คีเลตเรตติ้งมีความสำคัญในการกรองไอออนโลหะหนักที่เป็นพิษเช่นตะกั่วและปรอท เรซินเหล่านี้ใช้ในการบำบัดน้ำเสียและน้ำใต้ดิน
กรดเรซินที่แข็งแกร่งสามารถใช้ในการกำจัดแคลเซี่ยมและแมกนีเซียมไอออนบวกออกจากน้ำในกระบวนการที่เรียกว่าการทำให้น้ำอ่อน ไอออนของแคลเซียมและแมกนีเซียมจากสารละลายจะเปลี่ยนเป็นโซเดียมหรือไฮโดรเจนไอออนจากเรซิน ผลิตภัณฑ์ในครัวเรือนเช่นผงซักฟอกซักใช้ซีโอไลต์เพื่อให้น้ำอ่อนตัวเพื่อป้องกันการรบกวนของแคลเซียมและแมกนีเซียมไอออนด้วยการทำความสะอาดสบู่
การกำจัดไอออนในน้ำเป็นการประยุกต์ใช้แลกเปลี่ยนไอออน ในการกำจัดไอออนเกลือแร่เช่นโซเดียมและแคลเซียมจะถูกลบออกจากน้ำและแทนที่ด้วยไฮโดรเจนไอออนบวกหรือไอออนไฮดรอกไซด์ขึ้นอยู่กับชนิดของเรซินที่ใช้ กระบวนการนี้สร้างรูปแบบของน้ำที่บริสุทธิ์เทียบเท่ากับน้ำกลั่นซึ่งมีประโยชน์ในห้องปฏิบัติการและกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ต้องการความบริสุทธิ์ของน้ำที่สูง
ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนไอออนอุตสาหกรรมมักจะดำเนินการโดยใช้คอลัมน์ เรือเหล่านี้มีเตียงเรซินซึ่งบรรจุเรซินแลกเปลี่ยนไอออนในขณะที่สารละลายผ่าน การไหลสามารถควบคุมได้โดยวาล์วและเครื่องมือติดกับคอลัมน์ เมื่อสารละลายถูกส่งผ่านเรซินการแลกเปลี่ยนไอออนจะเกิดขึ้นจนกว่าจะมีการเติมพันธะทั้งหมดในเรซินทำให้เกิดสารละลายที่บริสุทธิ์
