Donnan Dialyse (kortweg DD) maakt gebruik van één soort ion-uitwisselingsmembranen (ofwel kation- ofwel anionuitwisselend) om ionen met eenzelfde lading uit te wisselen tegenover elkaar vanuit twee oplossingen. Op basis van een elektrochemisch potentiaalverschil tussen twee oplossingen, gescheiden door het ionuitwisselingsmembraan, zullen de ionen met een lading tegengesteld aan die van het membraan zich doorheen het membraan bewegen om het potentiaalverschil te compenseren. Zo kunnen bijvoorbeeld hardheidsionen verwijderd worden door ze uit te wisselen met natrium uit een geconcentreerde oplossing.

Er wordt gestreefd naar naar Donnan evenwicht: wanneer een ion-uitwisselingsmembraan twee elektrolyt oplossingen scheidt en een tweede elektrolyt met het zelfde tegen-ion, maar met een co-ion dat niet doorheen het membraan kan, wordt toegevoegd aan eenkant van het membraan, dan gaan de tegen-ionen door heen het membraan migreren tot ladingsscheiding verder doorstroming stopt en elektroneutraliteit aan beide zijden van het membraan wordt gevormd.