Nanosuodatuskalvoerotusteknologiassa Donnan-ilmiö on yksi tärkeimmistä sähköstaattisista mekanismeista, joka selittää kuinka nanosuodatuskalvot (NF) saavat aikaan selektiivisen ionien hylkimisen. Nanosuodatuskalvoissa on tyypillisesti pintavarauksia, ja nämä positiivisesti tai negatiivisesti varautuneet funktionaaliset ryhmät luovat ionien epäsymmetrisen jakautumisen kalvon molemmille puolille. Tämä vaikuttaa suoraan suolan hylkäämiseen, kaksiarvoisten ionien selektiivisyyteen ja heikosti biohajoavien orgaanisten aineiden poistokykyyn.
Donnan-ilmiö syntyy sähköstaattisesta hylkimisestä. Kun syöttövesi sisältää kaksiarvoisia ioneja, kuten Ca2+, Mg2+ ja SO₄2⁻, niiden kulkeutumista rajoittaa sekä nanosuodatuskalvon huokoskoko että kalvon pintavaraus. Näistä kahdesta tekijästä pintavarauksella on hallitsevampi rooli. Negatiivisesti varautunut NF-kalvo lisää repulsiokykyä kaksiarvoisia anioneja vastaan, mikä tehostaa sulfaattien, karbonaattien ja muiden moniarvoisten ionien hylkimistä. Tämä on nanosuodatuskalvojärjestelmien keskeinen etu kunnallisessa veden kiillotuksessa, teollisuuden jäteveden uudelleenkäytössä ja valikoivassa ionien erotuksessa. Sitä vastoin yksiarvoiset ionit, kuten Na+ ja Cl, kokevat heikomman sähköstaattisen repulsion ja tunkeutuvat siten helpommin NF-kalvojen läpi.
Tärkeää on, että Donnan-ilmiö ei vaikuta vain ionien kuljetukseen, vaan myös muuttaa sähkökemiallista tasapainoa syöttö- ja permeaattipuolen välillä. Korkeassa-TDS-olosuhteissa sähköisen neutraaliuden tarve saattaa saada tietyt ionit "vastaamaan-vaellukseen" kalvon läpi tasapainottamaan varauseroja. Tämä ainutlaatuinen ilmiö tarjoaa arvokasta tietoa nanosuodatuskalvon huokoskoon, kalvon pintapotentiaalin, sähkö-kentän vuorovaikutusten ja NF-kalvon konsentraatiopolarisaatiokäyttäytymisen arvioinnista.
Teollisissa sovelluksissa Donnan-ilmiö on erittäin tärkeä murtoveden suolanpoistossa, metalli-ionien erotuksessa, tekstiilien jäteveden käsittelyssä ja farmaseuttisessa välipitoisuudessa. Esimerkiksi raskasmetallijätevesien käsittelyssä negatiivisesti varautunut nanosuodatuskalvo voi merkittävästi parantaa Cu²⁺- ja Ni²⁺-ionien hylkäämistä sähköstaattisen repulsion kautta. Tämä mahdollistaa järjestelmän korkean suolanpoistotehokkuuden ja selektiivisyyden suhteellisen alhaisella käyttöpaineella, mikä vähentää energiankulutusta ja pidentää kalvomoduulin käyttöikää.
Vaikka Donnan-efekti parantaa erotuskykyä, se voi myös tehostaa paikallista pitoisuuden polarisaatiota, mikä lisää haasteita kalvon likaantumisen hallinnassa. Tämän ratkaisemiseksi kalvosuunnitteluprojektit yhdistävät usein syöttöveden esikäsittelyn, kalkinpoistoaineen annostelustrategiat ja jatkuvan kalvopaineen seurannan sivuvaikutusten lieventämiseksi ja vakaan toiminnan ylläpitämiseksi.
Kaiken kaikkiaan Donnan-ilmiö on nanosuodatuskalvotieteen perusmekanismi. Sen vaikutuksen ymmärtäminen auttaa insinöörejä valitsemaan oikean NF-kalvomallin, optimoimaan käänteisosmoosikalvojärjestelmän suunnittelun, parantamaan teollisuuden vedenkäsittelykalvomoduulien suorituskykyä ja saavuttamaan paremman kustannus-tehokkuuden ja toiminnan vakauden-erityisesti monimutkaisten vesimatriisien kanssa.
