Η ανταλλαγή ιόντων είναι μια χημική διαδικασία κατά την οποία ιόντα ανταλλάσσονται μεταξύ δύο διαλυμάτων ηλεκτρολύτη ή μεταξύ ενός διαλύματος ηλεκτρολύτη και μιας δομής στερεάς μήτρας που είναι γνωστό ως πολυμερές ανταλλαγής ιόντων. Όταν το διάλυμα ηλεκτρολύτη αντιδρά με το πολυμερές ή τη ρητίνη, τα ιόντα από το διάλυμα παγιδεύονται και προσκολλώνται στο στερεό υπόστρωμα, το οποίο με τη σειρά του απελευθερώνει διαφορετικά ιόντα του ίδιου φορτίου. Η ανταλλαγή κατιόντων συμβαίνει όταν ανταλλάσσονται θετικά φορτισμένα σωματίδια, ενώ η ανταλλαγή ανιόντων συμβαίνει όταν ανταλλάσσονται αρνητικά φορτισμένα σωματίδια.
Η ανταλλαγή ιόντων μπορεί να συμβεί σε φυσικά περιβάλλοντα μέσω αργιλοπυριτικών ορυκτών γνωστών ως ζεόλιθων, τα οποία βρίσκονται στον άργιλο. Το επίπεδο ανταλλαγής κατιόντων που συμβαίνει στο έδαφος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης της ικανότητας του εδάφους να συγκρατεί θρεπτικά συστατικά. Είναι επίσης σημαντικός παράγοντας για τον προσδιορισμό της καθαρότητας των υπόγειων υδάτων.
Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, η ανταλλαγή ιόντων λαμβάνει χώρα μέσω της χρήσης συνθετικών οργανικών πολυμερών. Ένα πολυμερές ανταλλαγής ιόντων μπορεί να κατασκευαστεί για να φιλτράρει συγκεκριμένα ορισμένα ιόντα από ένα διάλυμα. Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τύποι πολυμερών ανταλλαγής ιόντων που έχουν διαφορετικές συγγένειες ιόντων και χημικές ιδιότητες: ρητίνες ανιόντων ισχυρής βάσης, ρητίνες ανιόντων ασθενούς βάσης, ρητίνες κατιόντων ισχυρού οξέος και ρητίνες κατιόντων ασθενούς οξέος.
Εκτός από αυτές τις τέσσερις ομάδες, υπάρχουν και άλλοι τύποι ρητινών ανταλλαγής ιόντων. Οι χηλικές ρητίνες είναι σημαντικές για το φιλτράρισμα των τοξικών κατιόντων βαρέων μετάλλων, όπως ο μόλυβδος και ο υδράργυρος. Αυτές οι ρητίνες χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία λυμάτων και υπόγειων υδάτων.
Οι ισχυρές όξινες ρητίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αφαίρεση κατιόντων ασβεστίου και μαγνησίου από το νερό σε μια διαδικασία γνωστή ως αποσκλήρυνση του νερού. Τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου από το διάλυμα ανταλλάσσονται με ιόντα νατρίου ή υδρογόνου από τη ρητίνη. Τα προϊόντα οικιακής χρήσης, όπως το απορρυπαντικό πλυντηρίων ρούχων, χρησιμοποιούν ζεόλιθους για αποσκλήρυνση του νερού για να αποτρέψουν την παρεμβολή των ιόντων ασβεστίου και μαγνησίου με την καθαριστική δράση του σαπουνιού.
Ο απιονισμός του νερού είναι μια άλλη κοινή εφαρμογή της ανταλλαγής ιόντων. Κατά τον απιονισμό, τα ορυκτά άλατα όπως το νάτριο και το ασβέστιο αφαιρούνται από το νερό και αντικαθίστανται με κατιόντα υδρογόνου ή ανιόντα υδροξειδίου, ανάλογα με τον τύπο της ρητίνης που χρησιμοποιείται. Αυτή η διαδικασία παράγει μια καθαρή μορφή νερού συγκρίσιμη με το απεσταγμένο νερό, το οποίο είναι χρήσιμο σε εργαστηριακές και βιομηχανικές διεργασίες όπου απαιτείται υψηλή καθαρότητα νερού.
Οι βιομηχανικές αντιδράσεις ανταλλαγής ιόντων πραγματοποιούνται συνήθως με χρήση στηλών. Αυτά τα δοχεία περιέχουν μια κλίνη ρητίνης, η οποία συγκρατεί τη ρητίνη ανταλλαγής ιόντων ενώ το διάλυμα διέρχεται από αυτήν. Η ροή μπορεί να ελεγχθεί από βαλβίδες και όργανα συνδεδεμένα στη στήλη. Καθώς το διάλυμα διέρχεται μέσω της ρητίνης, πραγματοποιείται ανταλλαγή ιόντων έως ότου γεμίσουν όλες οι θέσεις σύνδεσης στη ρητίνη, παράγοντας ένα καθαρισμένο διάλυμα.