膜是壹種具有選擇性分離功能的材料。膜選擇性分離將料液中不同組分分離、純化和濃縮的過程稱為膜分離。與傳統過濾不同的是，膜可以在分子範圍內分離，這個過程是物理過程，沒有相變和添加劑。膜的孔徑通常是微米級的。根據膜的孔徑大小(或截留分子量)不同，膜可分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。根據材料的不同，可以分為無機膜和有機膜。無機膜主要是陶瓷膜和金屬膜，過濾精度低，選擇性小。有機膜由高分子材料制成，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚碸、含氟聚合物等。在錯流膜過程中，各種膜的分離和截留性能是通過膜的孔徑和分子量來區分的。下圖簡要說明了四種不同的膜分離過程:(箭頭反射表示物質無法透過膜而被截留):
微濾(MF)又稱微孔過濾，屬於精密過濾，其基本原理是篩網分離過程。微濾膜的材料分為有機和無機兩大類。有機聚合物包括醋酸纖維素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚碸、聚酰胺等。無機膜材料包括陶瓷和金屬。鑒於微孔膜的分離特性，微孔膜的應用範圍主要是從氣相和液相中截留顆粒、細菌等汙染物，以達到凈化、分離和濃縮的目的。
對於微濾來說，膜的截留特性是用膜的孔徑來表征的，孔徑通常在0.1 ~ 1微米之間，所以微濾膜可以分離大直徑的細菌和懸浮固體。可用於壹般料液的澄清、安全過濾和空氣滅菌。
超濾(UF)是介於微濾和納濾之間的膜過程，膜孔徑在0.05um-1000um之間。超濾是壹種膜分離技術，可以對溶液進行凈化、分離和濃縮。超濾過程通常可以理解為與膜孔徑相關的篩選過程。以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質，在壹定壓力下，當水流過膜表面時，只允許水和小於膜孔徑的小分子物質通過，從而達到凈化、分離和濃縮溶液的目的。
對於超濾來說，膜的截留特性是用標準有機物的截留分子量來表征的，壹般在1000 ~ 300000之間。因此，超濾膜可以分離大分子有機物(如蛋白質、細菌)、膠體、懸浮物等。廣泛應用於料液的澄清、大分子有機物的分離純化和除熱。
納濾是介於超濾和反滲透之間的壹種膜分離技術。其分子量截止在80 ~ 1000範圍內，孔徑為幾個納米，故稱納濾。基於納濾分離技術的優越特性，它在制藥、生化、食品工業等諸多領域顯示出廣闊的應用前景。
對於納濾，膜的截留特性表現為對標準NaCl、MgSO4 _ 4、CaCl2 _ 2溶液的截留率，通常為60% ~ 90%，對應的截留分子量為100 ~ 1000。因此，納濾膜可以將小分子有機物與水和無機鹽分離，同時實現脫鹽和濃縮。
反滲透(RO)是利用反滲透膜只能透過溶劑(通常是水)而截留離子物質或小分子物質的選擇性滲透能力，在膜兩側靜壓力的驅動下，分離液體混合物的膜過程。反滲透是膜分離技術的重要組成部分，具有水質高、運行成本低、無汙染、操作方便、運行可靠等諸多優點，已成為海水和苦鹹水淡化及純水制備最節能、最簡單的技術。目前已廣泛應用於醫藥、電子、化工、食品、海水淡化等諸多行業。反滲透技術已成為現代工業水處理技術的首選。
反滲透的截留目標是所有離子，只允許水通過膜。NaCl截留率在98%以上，出水為去離子水。反滲透可以去除可溶性金屬鹽、有機物、細菌、膠粒和發熱物質，即可以截留所有離子。反滲透膜已廣泛用於純水、軟化水、去離子水的生產、產品濃縮和廢水處理。
膜分離的基本工藝原理比較簡單(見下圖)。過濾過程中，料液由泵加壓，料液以壹定的流速沿濾膜表面流動。分子量大於被膜截留分子量的物質分子不會通過膜回流到進料罐，分子量小於被膜截留分子量的物質或分子通過膜形成透析液。所以膜系統有兩個出口，壹個是回流(濃縮液)出口，壹個是透析液出口。單位時間(Hr)和單位膜面積(m2)內流出的透析液的量(L)稱為膜通量(LMH)，即過濾速度。影響膜通量的因素有:溫度、壓力、TDS、離子濃度、粘度等。
膜分離操作的基本工藝流程:
由於膜分離過程是純物理過程，具有無相變、節能、體積小、可拆卸等特點，使得膜廣泛應用於發酵、制藥、植物提取、化工、水處理過程和環保行業。根據不同成分有機物的分子量，選擇不同的膜和合適的膜技術，以達到最佳的膜通量和截留率，從而提高生產收率，降低投資規模和運行成本。