理論上講，離子交換是一種可逆過程。大多數離子交換劑可以再生，即分别用适當的強酸(如HNO3)和堿(如NaOH)置換陽離子交換劑和陰離子交換劑上鍵合的污染離子，從而恢複離子交換劑原來的化學狀态。通過再生可以延長離子交換劑的壽命，節省購買新交換劑和處置廢交換劑的費用。
值得注意的是，離子交換劑不能完全再生，典型的離子交換劑的再生回複率為90%。所以，即使在最佳的再生條件下，離子交換劑的壽命也是有限的。
通常，再生操作在單獨的容器中進行。混床系統一般需要用水力分離法将陽樹脂與陰樹脂分開，如将酸性和堿性再生劑引入混床，則它們在對樹脂再生之前就會中和。利用陽樹脂與陰樹脂一定的密度差異，在交換柱内緩緩地反洗，可以實現陽樹脂與陰樹脂的水力分離。随後将兩種樹脂分别排入各自的容器，分别進行再生。也可以在陰、陽離子交換劑的界面處分别注入兩種再生液，其中一種再生液向上流動，從交換柱頂部排出，另一種再生液向下流動，從交換柱底部排出。再生完畢後将兩種離子機交換劑重新混合。
對于放射性廢水的處理，許多國家不采取離子交換劑再生的做法，因為采用濃酸、濃堿的再生操作比較困難，費用也較高。而且，設備本身也較複雜，需要存放樹脂再生用試劑的槽罐及相應的閥門、管線和泵。考慮到再生操作的費效比，一般采用一次性離子交換的方式。然而，對于更換離子交換劑更加昂貴的情況，還需進行再生操作。在一些核電站的非放水處理系統(如二回路鍋爐給水和去離子水制備)，水處理量很大，所用的離子交換劑量也很大，還是需要樹脂的再生操作。
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