废水通过多孔性颗粒状离子交换剂，使废水中的某些离子化物质与交换剂中的活性离子发生等当量的置换反应，置换废水中所含的某些离子，而把交换剂中的活性离子释放到水中，这种水处理方法，称为离子交换法。
离子交换剂是由不溶于水的惰性物质组成固体骨架，即母体，呈晶体或凝胶状，排列成空间网状结构。在母体上固定着带有电荷的离子基团，并由带异号电荷的活性离子予以平衡。活性离子既能在骨架内移动，也可和交换剂周围溶液中的同号离子进行等当量交换。由于骨架内遍布细微的孔道，使溶剂或溶质分子扩散入离子交换剂内，进行离子交换。
最常用的离子交换剂是在合成树脂中导入活性基团而制成的离子交换树脂。当溶剂进入交换树脂后，会引起树脂的溶胀。离子交换树脂的交换容量用单位重量的干燥交换剂所能交换离子的当量数表示(mEq/g)，或根据在水中溶胀的单位体积交换剂上可交换离子的当量数表示(mEq/ml)。其它还有合成沸石，硅胶(硅酸盐类)以及在褐煤中引入磺酸基团制成的磺化煤等离子交换剂。天然的离子交换剂(如天然沸石、绿砂、褐煤、羟基磷灰石等)因交换容量低，一般较少采用。
离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。根据离子基团的电离难易程度，又有强性和弱性之分。
阳离子交换树脂为：
由于一般凝胶型树脂的孔隙过于微细(2～4nm即20～40)，易被大分子有机物所堵塞， 故有时采用大孔型树脂。但大孔型树脂孔隙大小不匀，仍有部分微孔。可把二乙烯苯交联物质改为聚苯乙烯，实行氯甲基化交联，形成基本上均等的孔隙，称为均孔型交换树脂，可以防止有机物污染，但其再生能力和交换容量尚不理想。
各种离子交换树脂的交换机能各有特点，下图表示各种离子交换柱树脂的交换机能。
各种离子交换柱的交换机能
离子交换法的工艺过程，主要为吸附交换及树脂再生。当使用新的离子交换树脂时，应先通过酸、碱处理，让树脂颗粒发生膨胀、收缩，使一些低聚物类的杂质被洗脱。
离子交换树脂适用于低分子离子，对非电解质和高分子电解质不太适用。在处理废水时，由于水的浑浊度高，硅酸盐类和油类等杂质易吸附于树脂上，堵塞树脂孔道，使扩散速度降低，容易漏穿，造成树脂再生困难，而降低树脂的交换容量。故在废水进入离子交换柱前，要经过预处理，除去部分杂质，减低浑浊度和硬度，以避免离子交换树脂的非可逆吸附及树脂内的沉淀析出。
废水温度高，能加速离子交换的扩散反应;但温度过高，将引起树脂的分解。一般阳离子交换树脂允许的水温不超过100℃，阴离子交换树脂允许的水温不超过60℃。
在离子交换过程中，有交换能力的活性离子置换了废水中需交换的离子使活性减少，大部分树脂经交换后饱和而失效。当排出水中需交换离子的浓度达到某定值时，称为“漏穿”。此时应采用适当的再生剂处理饱和或接近饱和的离子交换剂，恢复其交换能力，这一过程称为再生。
再生过程为： ①逆洗： 水洗10～15min，流速为10～20m/h。②再生： 采用适当浓度的再生剂处理交换剂，恢复其交换能力，但完全再生需要大量再生剂，在工业上为了节约费用，仅使交换剂再生达到某种程度。③再逆洗： 去除树脂内残留的再生液。④水洗： 以大流速冲洗树脂，完全除去再生液。
离子交换柱(塔)是装有离子交换剂的圆筒状结构。根据处理的废水量和浓度，确定装入离子交换柱的树脂量。树脂层厚度一般超过60cm，因小于60cm时，流速对树脂工作交换容量有显著的影响。由于离子交换树脂的膨润作用，交换柱的高度应留有充分的余量。
交换剂再生处理的操作条件：对阳离子交换树脂来说;处理流速为20～30m/h，逆洗流速为30～40m/h，再生流速在10m/h以下。再生剂一般可用5～10%H2SO4，每升树脂需用120～150gH2SO4。对阴离子交换树脂来说：处理流速为30～40m/h，逆洗流速为30～40m/h，再生流速在10m/h以下。再生剂可用3～7%NaOH，每升树脂需用52～60gNaOH。保证树脂在交换过程中的离子交换和再生效果，通常在离子交换法中，采用处理流速为2.5m/h，再生流速为0.5m/h。
离子交换法可分为分别装有阴、阳离子交换剂的交换柱串联应用的复床式;在同一交换柱中装有混合的阴、阳离子交换剂的混床式以及在操作过程中，交换剂从交换柱内循环流出，在柱外再生的连续操作的移动床式等。
弱酸、弱碱性交换树脂的交换容量比强酸、强碱树脂高一倍左右，再生容易，费用较低，应用较广。离子交换法工艺复杂，操作技术要求高，运转及设备费用也较高，因此要求严格的管理，以提高处理效率并降低费用。
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