Ionska izmenjava je kemični proces, pri katerem se ioni izmenjujejo med dvema raztopinama elektrolitov ali med raztopino elektrolita in trdno matrično strukturo, znano kot ionsko izmenjevalni polimer. Ko raztopina elektrolita reagira s polimerom ali smolo, se ioni iz raztopine ujamejo in pritrdijo na trdno podlago, ki sprošča različne ione enakega naboja. Kationska izmenjava se zgodi, ko se izmenjujejo pozitivno nabiti delci, medtem ko se izmenjava anionov zgodi, ko se zamenjajo negativno nabiti delci.
Ionska izmenjava se lahko pojavi v naravnih okoljih z aluminosilikatnimi minerali, znanimi kot zeoliti, ki jih najdemo v glini. Stopnjo kationske izmenjave, ki se pojavi v tleh, lahko uporabimo kot indikator sposobnosti tal, da zadrži hranila. Prav tako je pomemben dejavnik pri določanju čistosti podtalnice.
V industrijskih okoljih ionska izmenjava poteka z uporabo sintetičnih organskih polimerov. Polimer za ionsko izmenjavo je lahko izdelan za specifično filtriranje določenih ionov iz raztopine. Obstajajo štiri glavne vrste ionskih izmenjevalnih polimerov, ki imajo različne ionske afinitete in kemične lastnosti: močne bazne anionske smole, šibko bazne anionske smole, močne kisle kationske smole in šibko kisle kationske smole.
Poleg teh štirih skupin obstajajo tudi druge vrste ionskih izmenjevalnih smol. Kelativne smole so pomembne pri filtriranju strupenih kationov težkih kovin, kot sta svinec in živo srebro. Te smole se uporabljajo za čiščenje odpadne vode in podzemne vode.
Močne kislinske smole se lahko uporabljajo za odstranjevanje kalcijevih in magnezijevih kationov iz vode v postopku, znanem kot mehčanje vode. Kalcijevi in magnezijevi ioni iz raztopine se zamenjajo za natrijeve ali vodikove ione iz smole. Gospodinjski izdelki, kot je detergent za perilo, uporabljajo zeolite za mehčanje vode, da preprečijo motnje kalcijevih in magnezijevih ionov s čistilnim delovanjem mila.
Deionizacija vode je še ena pogosta uporaba ionske izmenjave. Pri deionizaciji se mineralne soli, kot sta natrijeva in kalcijeva, odstranijo iz vode in nadomestijo z vodikovimi kationi ali hidroksidnimi anioni, odvisno od vrste uporabljene smole. S tem postopkom nastane prečiščena oblika vode, primerljiva z destilirano vodo, ki je uporabna v laboratorijskih in industrijskih procesih, kjer je potrebna visoka čistost vode.
Industrijske reakcije ionske izmenjave se običajno izvajajo s kolonami. Te posode vsebujejo smolno plast, ki zadržuje ionsko izmenjevalno smolo, medtem ko raztopino prehaja skozi njo. Pretok je mogoče nadzorovati z ventili in instrumenti, pritrjenimi na kolono. Ko raztopina prehaja skozi smolo, pride do ionske izmenjave, dokler niso napolnjena vsa vezivna mesta v smoli, pri čemer nastane prečiščena raztopina.