在工业和医药领域
离子交换的主要工业应用是处理水．硬水-由的存在引起的钙而且镁离子，与肥皂形成不溶沉淀物，通过与钙和镁离子交换而软化钠离子。为了达到这个目的，硬水要经过一个含有钠离子的阳离子交换器柱。在色谱柱使用一段时间后，钙和镁开始出现在离开色谱柱的水中。然后必须通过传递一个集中函数来重新生成列解决方案的食盐慢慢地穿过柱子;过量的钠离子取代了产生硬度的离子，因此，在用水冲洗后，交换器的床层可以再次使用。起初，用于此目的的交换剂是天然的铝硅酸盐;但是后来,合成取而代之的是树脂。
为了特殊目的，比如在实验室中使用，水是去离子化的，也就是说，完全从各种溶解的离子中解放出来。这是通过让水通过两个树脂床在不同的柱。第一层包含阳离子交换树脂轴承氢离子并将溶解的盐转化为游离盐酸．第二种含有负离子交换树脂，负载羟基离子;它中和了酸，抑制了它们的阴离子，在水中只留下非离子型杂质。该床层分别用强酸和强碱再生。一个替代程序，“混合床”去离子，只使用一个柱包含两种树脂混合。由于树脂必须分离再生，然而，混合床主要用于小型实验室单元的一次性墨盒。
树脂用于水处理应该可以使用很多年，但它们的寿命可能会因胶体物质的积累(通过添加活性炭过滤器来防止)或水中溶解的氯引起的氧化而缩短。携带羟基的季铵盐阴离子交换树脂离子也恶化;它们慢慢分解生成叔碳胺聚合物和甲醇。
在更古老的用法中离子交换过程中，盐从糖汁中除去，以提高结晶糖的产量。去离子处理还能改善菠萝汁和菠萝酒的风味和贮藏时间。在这些饮料和其他饮料应用中，离子交换可以去除微量的重金属，重金属不仅味道不好，还能催化氧化。
在湿法冶金中，用水溶液处理矿石，离子交换有助于从废水中回收有价值的金属，如铜、银和金。铀能从低品位矿石中回收浸出用稀硫酸——必要时进行氧化，将铀(IV)转化为铀(VI)——然后吸收带负电荷的铀硫酸四元基阴离子交换树脂上的复合离子。这种高度选择性的吸收过程将铀从铁和其他金属中分离出来。铀随后用稀释剂从树脂中除去硝酸．
在工业规模上，阳离子交换通过位移技术分离稀土元素，在这种技术中，每一种元素的位移比它沿柱向下移动时束缚的强度要小。在高纯度的情况下，这些元素一个接一个地出现(先出现键最弱的元素)。
离子交换剂可以起到催化剂．强酸阳离子交换树脂装载氢离子催化在液相中进行的某些化学反应，如水解和酯化(酯形成)。树脂的优点超过盐酸作为一个催化剂在这些反应中，它是作为一个单独的相存在的，不会污染产物。此外，离子交换过程也适用于连续流动技术。催化的气相反应金属离子，比如破解的石油馏分生产汽油，也可以由金属负载的无机交换物催化，分子筛特别适合于这一目的，因为其开放的晶体结构使每一个金属离子都可以接触到。
离子交换树脂在医学上的用途有限。含氢或铵离子的羧基树脂，口服，可去除钠离子胃肠道和控制水肿；其他的树脂被用来降低胃里的酸度，从而缓解胃部不适溃疡．然而，由于这种树脂的不良副作用，人们对这些治疗方法的兴趣已经下降。树脂也被加入到体外的人造肾脏中，以去除铵和钾血液中的离子。最重要的医学应用离子但是，在临床分析过程中，依靠离子交换进行了交换色谱法．
平衡和动力学
离子交换平衡
离子交换反应的可逆性极大地影响着离子交换系统的行为。典型的离子交换反应可以写成:
其中−代表离子固定在树脂或其他类型的交换器和A+和B+为单价阳离子(单正离子)，C2 +是二价阳离子。
与一般可逆反应一样，可以写出描述相对反应的方程浓度(单位体积的物质量)，即当正向反应速率与反向反应速率相等时，各组分处于平衡状态。对于上述离子交换过程，下面的方程说明了在条件下存在的材料之间的关系平衡：
在这些方程中，常数K1是一个没有单位的纯数(如英尺每秒)，因为方程右边的单位约掉了。的数值K2然而，浓度及其单位取决于方程右侧所选择的表示浓度的单位。因为常数K1或K2是最有用的简单描述吗平衡离子交换反应的条件(以及对其值的了解可以计算出在特定条件下处于平衡状态的各种物质的浓度)、浓度的测定K数值是研究离子交换反应的基本步骤。对于树脂中的浓度，可以使用树脂框架中移动离子的比例，或者可以将移动离子的数量与树脂中所含的水的重量联系起来。更多的常数值K2可以通过参考树脂而不是参考水来获得，这是幸运的，因为水的含量有一个肿树脂取决于它所含的可移动离子，很难测量。然而，由实验确定的值K1而且K2不是恒定的，而是随树脂中可交换离子的比例而变化。这一结果导致了毫不奇怪的结论，树脂的内部不是一个理想的解决方案．
离子的分布不均匀负责比如B+和C2 +上面，取决于溶液的总浓度。溶液越稀，高电荷离子在交换器中积聚的趋势就越大。进入交换器的一个双电荷离子会将两个单电荷离子送回溶液中，溶液越稀释，这种替换发生的可能性就越大。这种效应被称为“电选择性”，用于水软化．钙离子是从硬水中提取的，这是一种稀释的溶液，而它们通过与浓缩的氯化钠溶液再生从树脂中去除。
人们对离子交换进行了许多研究平衡以及影响价值观的因素K．不同的离子被不同强度的交换器用住。到目前为止，还不可能先验地预测的大小K，但人们可以作出某些概括，这是不同的阳离子和阴离子交换。为碱而碱土金属离子的结合强度随离子水化程度成反比。因此，锂离子是最强烈的水合离子碱金属离子是树脂中最弱的，其次是钠，钾，铷，最后是铯，它与树脂形成了最强的键。在碱性在地球上，元素的增加顺序是从铍到镁、钙、锶、钡，最后到镭，镭是最牢固的。
这些序列是官能团为的树脂的特征磺酸盐离子。含有羧酸盐离子或完全电离的磷酸盐离子的树脂表现出不同的序列。的静电场树脂上固定离子的强度决定了分离的顺序。当固定离子上的电荷很小并且分布在一个很大的区域时，如在磺酸盐离子中，-SO3.−场强较弱，可移动离子保持原态水合作用壳——也就是说，它们通过直接配位所持有的水分子。更强烈的水合离子迁移到有更多水的地方，也就是说，离开树脂，进入周围的溶液。
然而，当离子电荷集中时，就像它在硅酸盐网络的末端氧周围一样，移动的阳离子被如此强烈地吸引，以至于初级水化壳可能被挤出。然后固定离子和移动离子直接接触。移动离子越小，它与固定离子的距离就越近，束缚它的力就越大。当离子电荷极其集中时，碱金属序列完全相反:锂的强度最大，铯的强度最小。中间序列是可能的。这样，选择性就进入了玻璃电极和生物膜，两者都是通过竞争表面起作用的吸附可以解释为。然而，这一理论在解释重金属离子的选择性次序方面帮助不大;在这种情况下，其他因素，如然而,未知，似乎在工作。
的选择序列卤季铵固定离子树脂中的离子有氟、氯、溴化物和碘化物，其中氟离子的吸附最弱。这类似于阳离子的选择性顺序，其中最小的离子也是最弱的。另一方面，在卤化物阴离子系列中，各种离子与树脂的附着程度的差异要比碱金属阳离子系列大得多。在8%交联季铵盐树脂中，碘化物的强度是氟化物的100倍;而在8%的交联磺酸树脂中，铯的固结强度是锂的四倍。
重要的是，阴离子比阳离子大(在它们的晶格半径上)，而且它们与水的相互作用方式不同。阴离子不是吸引周围的偶极水分子，而是倾向于破坏液态水的氢键结构，结果是它们越大，就越难进入水中。大的离子就这样从水中被排出，进入树脂中——这一现象在实现分离方面有很大的实用价值。高氯酸离子，ClO4−碘离子的强度是碘离子的10倍。这种效应扩展到复杂离子，如铁和金的氯化物，FeCl4−和AuCl4−，它们被季铵型阴离子交换树脂牢牢地固定住。大尺寸的效果有时可能会被增加的离子电荷所抵消，离子电荷往往会使水分子定向并稳定溶解的离子。因此，较高电荷的锌配合物ZnCl42−与铁配合物FeCl相比，具有双负电荷的fel与树脂的结合更弱4−，带一个负电荷。
当然，非常大的离子不能进入树脂网络。与离子温和的尺寸大小时，进入网络的离子可能会变成a限制因素因此，区分不利均衡和缓慢交换就变得很重要了。平衡吸收可能很大，但可能需要很长时间才能达到，因为离子很难进入树脂。