采用离子交换软化，基本原理是原水流经阳离子交换剂时，水中Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子被交换剂吸附，而交换剂中的可交换离子(Na⁺或H⁺)则溶入水中，从而除去了水中钙镁离子，使水得到了软化。离子交换软化法有以下几种。
a．钠离子交换软化法
    钠离子交换剂是工业锅炉最常使用的离子交换剂，化学分子式用NaR表示，当原水经钠离子交换剂时，水中的钙、镁离子被钠离子置换，其反应式为：
碳酸盐硬度：
    Ca(HCO₃)₂+2NaR——CaR₂+2NaHCO₃
    Mg(HCO₃)₂+2NaR——MgR₂+2NaHCO₃
非碳酸盐硬度：
    CaSO₄+2NaR——CaR₂+Na₂SO₄
    MgSO₄+2NaR——MR₂+Na₂SO₄
    钠离子交换法不仅可以除去永久硬度，也可以除去暂时硬度，而且处理前后水中的总碱度保持不变。处理后水的含盐量增加，因为钙镁盐等当量地转变成钠盐，而钠的当量值(23)比钙和镁的当量值(20.04)和(12.16)高，所以用毫克每升表示水的含盐量将有所提高。
    随着交换过程的不断进行，交换剂中的Na+被大部分置换，出水中便含有Ca²⁺、Mg²⁺(即出现了硬度)，当硬度达到一定范围时，此水已不符合锅炉给水标准，说明交换剂已失效，此时就要再生，恢复交换剂的软化能力，再生剂是食盐(NaCI)。
    再生过程中，使含有大量Na+的氯化钠溶液通过失效的交换剂层，将离子交换剂所吸附的Ca²⁺、Mg²⁺强行排除掉，而Na⁺被交换剂所吸附，使交换剂重新恢复交换能力，其反应式如下：
    CaR₂+2Na⁺=2NaR+Ca²⁺
    MgR₂+2Na⁺=2NaR+Mg²⁺
b．部分钠离子交换软化法
    即只是让原水的一部分经过离子交换器，另一部分直接进入水箱。经钠离子交换后软水中NaHCO₃在水箱中受热分解成为Na₂CO₃，利用这些Na₂CO₃，去软化未经钠离子交化器中的生水永硬，同时消除一部分碱度。
    部分钠离子交换软化有如下特点：①减少钠离子交换器的负荷，可减小设备容量；②可以软化、除碱而不需要另加药剂，并减少原用食盐的消耗量；③软化不彻底，尤其是当水中的永硬与总硬度之比小于0.5，软化效果更差；因此，这种方法只适用于小型锅炉，当水中的永硬与总硬度之比大于0.5时，作为软化除碱使用。
c．氢一钠离子交换软化法。氢离子交换软化水的原理是利用离子交换剂中氢离子置换原水中的钙镁离子，反应式如下：
    碳酸盐硬度：
    Ca(HCO₃)₂+2HR----CaR+2H₂O+2CO₂
    Mg(HCO₃)₂+2HR----MgR+2H₂O+2CO₂
    非碳酸盐硬度：
    CaSO₄+2HR----CaR+H₂SO₄
    CaCl+2HR----CaR+2HCl
    MgSO₄+2HR----MgR+H₂SO₄
    MgCl₂+2HR----MgR+2HCl
    由此可见，氢离子交换还有除盐的作用，除盐的量与水中的碳酸盐硬度的摩尔数相等。氢离子交换后水中有游离酸，产生的酸量与水中的非碳酸盐硬度的摩尔数相等。因此不能作为锅炉给水，氢离子交换不能单独使用，必须与钠离子交换联合使用，称为氢----钠离子交换，使产生的游离酸与经钠离子交换后生成的碱相中和，达到除碱的目的。