膜是具有選擇分離功能的材料，利用膜的選擇性分離實現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內進行分離，并且這過程是一種物理過程，不需發生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級，依據其孔徑的不同（或稱為截留分子量），可將膜分為微濾膜、超濾膜、鈉濾膜和反滲透膜，根據材料的不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要還只有微濾級別的膜，主要是陶瓷膜和金屬膜。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素。芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

幾種膜工藝分離尺徑比較

下圖顯示了水中各種雜質的大小和去除它們所使用的分離方法。反滲透主要用來去除水中溶解的無機鹽；而超濾則可以去除病毒、大分子物質、膠體等；微濾一般能夠去除水中的細菌、灰塵，具有很好的除濁效果。這些都是傳統的過濾（如砂濾、多介質過濾等）無法實現的。