Ionska izmjena je kemijski proces u kojem se ioni izmjenjuju između dvije otopine elektrolita ili između otopine elektrolita i čvrste matrične strukture poznate kao polimer za ionsku izmjenu. Kada otopina elektrolita reagira s polimerom ili smolom, ioni iz otopine su zarobljeni i pričvršćeni na čvrstu podlogu, koja zauzvrat oslobađa različite ione istog naboja. Kationska izmjena nastaje kada se izmjenjuju pozitivno nabijene čestice, dok se anionska izmjena događa kada se razmjenjuju negativno nabijene čestice.
Ionska izmjena može se dogoditi u prirodnim uvjetima kroz aluminosilikatne minerale poznate kao zeoliti, koji se nalaze u glini. Razina kationske izmjene koja se javlja u tlu može se koristiti kao pokazatelj sposobnosti tla da zadrži hranjive tvari. Također je važan čimbenik u određivanju čistoće podzemne vode.
U industrijskim uvjetima, ionska izmjena odvija se upotrebom sintetskih organskih polimera. Polimer za ionsku izmjenu može se izraditi za specifično filtriranje određenih iona iz otopine. Postoje četiri glavne vrste polimera za ionsku izmjenu koji imaju različite ionske afinitete i kemijska svojstva: anionske smole jake baze, anionske smole slabe baze, kationske smole jake kiseline i slabo kisele kationske smole.
Osim ove četiri skupine, postoje i druge vrste smola za ionsku izmjenu. Kelirajuće smole važne su u filtriranju toksičnih kationa teških metala, kao što su olovo i živa. Ove smole se koriste u pročišćavanju otpadnih i podzemnih voda.
Smole jake kiseline mogu se koristiti za uklanjanje kationa kalcija i magnezija iz vode u procesu poznatom kao omekšavanje vode. Ioni kalcija i magnezija iz otopine zamjenjuju se za natrijeve ili vodikove ione iz smole. Proizvodi za kućanstvo kao što je deterdžent za rublje koriste zeolite za omekšavanje vode kako bi spriječili ometanje iona kalcija i magnezija s djelovanjem sapuna.
Deionizacija vode je još jedna uobičajena primjena ionske izmjene. U deionizaciji se mineralne soli poput natrija i kalcija uklanjaju iz vode i zamjenjuju vodikovim kationima ili hidroksidnim anionima, ovisno o vrsti smole koja se koristi. Ovaj proces proizvodi pročišćeni oblik vode usporediv s destiliranom vodom, što je korisno u laboratorijskim i industrijskim procesima gdje je potrebna visoka čistoća vode.
Industrijske reakcije ionske izmjene obično se provode pomoću stupaca. Ove posude sadrže sloj smole, koji drži smolu za ionsku izmjenu dok se otopina prolazi kroz nju. Protok se može kontrolirati ventilima i instrumentima pričvršćenim na kolonu. Kako otopina prolazi kroz smolu, dolazi do ionske izmjene dok se sva mjesta vezanja u smoli ne popune, čime se dobiva pročišćena otopina.