Ionenwisseling wordt, evenals membraanfiltratie en met name omgekeerde osmose, ingezet bij de ontharding en ontzouting of demineralisatie van water.
Een ionenwisselaar komt zowel in vloeibare als in vaste vorm voor. In de waterbehandeling gebruikt men de vaste vorm. In vaste vorm zijn dit kleine kunststof hars bolletjes van polystyreen, met een diameter van 0,3 – 1,2 mm. Aan de matrix van het polystyreen kan op chemische wijze een functionele groep worden geplaatst, die een positieve (H+ of Na+) of een negatieve (OH-) lading heeft.
De belangrijke toepassingen van ionenwisselaars zijn: ontharding,decarbonatie en demineralisatie. Er wordt onderscheid gemaakt tussen kation- en anionwisselaars, waardoor het mogelijk is zouten uit een vloeistof te verwijderen.
Bij demineralisatie vindt volledige ontzouting plaats en wordt gebruik gemaakt van zgn. kation- en anionwisselaars.
Ionenwisselingsreacties zijn stoïchiometrisch, dat wil zeggen dat voor één equivalent van een ion dat uit de oplossing genomen wordt, één equivalent van een ander ion uit de hars wordt vrijgemaakt en terugkeert in de oplossing.
Als water, waarin zich CaCl² bevindt met Na+ actieve ionenwisselaar in aanraking komt, wordt het aanwezige calcium (Ca 2+) uitgewisseld tegen bijv. Na+ en ontstaat er een andere vorm van zout: NaCl. Dit is bijvoorbeeld het geval bij ontharding.
Water waaruit men alle ionen wil verwijderen (ontzouten of demineraliseren) wordt door een sterkzure kationwisselaar in de H+-vorm geleid,waardoor alle kationen worden uitgewisseld tegen een equivalente hoeveelheid H+-ionen. Aansluitend worden de anionen uitgewisseld tegen OH--ionen met een sterkbasische anionwisselaar in de OH--vorm.
De vrijgekomen H+- en OH--ionen reageren met elkaar tot water. Zo worden alle ionen uit het water verwijderd en vervangen door H+- en OH--ionen, die samen reageren tot water.
Als er geen reactieve groepen op de ionenwisselaar meer over zijn, is de hars beladen en moet deze worden geregenereerd. Deze regeneratie vindt plaats met een overmaat van een keukenzout oplossing, (NaCl) in geval van ontharden en met een zoutzuur (HCl)- en natronloog (NaOH) oplossing bij het demineraliseren, voor resp. de cation- en anionwisselaar. De ionenwisselaars worden hierdoor in de oorspronkelijke staat teruggebracht, waardoor het proces, na het uitspoelen van de overtollige chemicaliën, weer van voren af aan kan aanvangen.
De toepassing van ionenwisseling wordt beperkt door het zoutgehalte in het te behandelen water. Bij hogere zoutgehalten in het te behandelen water lopen de kosten voor de chemicaliën hoog op en wordt het aantrekkelijk om een membraan systeem toe te passen. Echter, ionenwisselaars hebben gedurende de laatste 40 jaar bewezen een betrouwbare methode te zijn om de gewenste waterkwaliteit te kunnen garanderen.