W technologii separacji na membranach nanofiltracyjnych efekt Donnana jest jednym z najważniejszych mechanizmów elektrostatycznych, który wyjaśnia, w jaki sposób membrany nanofiltracyjne (NF) osiągają selektywne odrzucanie jonów. Membrany nanofiltracyjne zazwyczaj przenoszą ładunki powierzchniowe, a te dodatnio lub ujemnie naładowane grupy funkcyjne tworzą asymetryczny rozkład jonów po obu stronach membrany. Ma to bezpośredni wpływ na odrzucanie soli, selektywność jonów dwuwartościowych i skuteczność usuwania słabo biodegradowalnych substancji organicznych.
Efekt Donnana ma swoje źródło w odpychaniu elektrostatycznym. Gdy woda zasilająca zawiera jony dwuwartościowe, takie jak Ca²⁺, Mg²⁺ i SO₄²⁻, ich transport jest ograniczony zarówno przez wielkość porów membrany nanofiltracyjnej, jak i ładunek powierzchniowy membrany. Wśród tych dwóch czynników bardziej dominującą rolę odgrywa ładunek powierzchniowy. Ujemnie naładowana membrana NF zwiększa odpychanie wobec anionów dwuwartościowych, zwiększając odrzucanie jonów siarczanowych, węglanowych i innych jonów wielowartościowych. Jest to kluczowa zaleta systemów membran nanofiltracyjnych do uzdatniania wody komunalnej, ponownego wykorzystania ścieków przemysłowych i selektywnej separacji jonów. Natomiast jony jednowartościowe, takie jak Na⁺ i Cl⁻, podlegają słabszemu odpychaniu elektrostatycznemu i dlatego łatwiej przenikają przez membrany NF.
Co ważne, efekt Donnana nie tylko wpływa na transport jonów, ale także zmienia równowagę elektrochemiczną pomiędzy stroną nadawy i permeatu. W warunkach wysokiego-TDS potrzeba neutralności elektrycznej może spowodować, że niektóre jony „przeciwdziałają-migracji” przez membranę, aby zrównoważyć różnice ładunków. To wyjątkowe zjawisko zapewnia cenny wgląd w ocenę wielkości porów membrany nanofiltracyjnej, potencjału powierzchni membrany, interakcji-pola elektrycznego i zachowania polaryzacji stężenia membrany NF.
W zastosowaniach przemysłowych efekt Donnana jest bardzo istotny w przypadku odsalania wody słonawej, separacji jonów metali, oczyszczania ścieków tekstylnych i pośredniego stężenia farmaceutycznego. Na przykład podczas oczyszczania ścieków-metali ciężkich ujemnie naładowana membrana nanofiltracyjna może znacznie zwiększyć odrzucanie jonów Cu²⁺ i Ni²⁺ poprzez odpychanie elektrostatyczne. Pozwala to systemowi osiągnąć wysoką wydajność i selektywność odsalania przy stosunkowo niskim ciśnieniu roboczym, zmniejszając zużycie energii i wydłużając żywotność modułu membranowego.
Jednakże, chociaż efekt Donnana poprawia wydajność separacji, może również intensyfikować lokalną polaryzację stężeń, zwiększając wyzwania w zakresie kontroli zanieczyszczeń membran. Aby rozwiązać ten problem, projekty inżynierii membranowej często integrują wstępne oczyszczanie wody zasilającej, strategie dozowania środka zapobiegającego osadzaniu się kamienia i ciągłe monitorowanie ciśnienia transmembranowego w celu złagodzenia skutków ubocznych i utrzymania stabilnej pracy.
Ogólnie rzecz biorąc, efekt Donnana jest podstawowym mechanizmem w nauce o membranach nanofiltracyjnych. Zrozumienie jego wpływu pomaga inżynierom wybrać właściwy model membrany NF, zoptymalizować projekt systemu membran odwróconej osmozy, poprawić wydajność modułu membrany do uzdatniania wody przemysłowej oraz osiągnąć lepszą-efektywność kosztową i stabilność operacyjną-, szczególnie w przypadku złożonych matryc wody.
