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氣體分離膜是近年來發展很快的一項新技術。不同的高分子膜對不同種類的氣體分子的透過率和選擇性不同，因而可以從氣體混合物中選擇分離某種氣體。如從空氣中收集氧，從合成氨尾氣中回收氫，從石油裂解的混合氣中分離氫、一氧化碳等。
按照分離機理，氣體分離膜大致可分為3類
1.“單一”溶解-擴散膜
這類膜傳質過程為：上游氣相中氣體分子首先溶解于膜，然后擴散過膜，最后在下游氣相中解吸。這類膜可進一步分為3種：聚合物溶解-擴散膜、分子篩和表面選擇流膜。
聚合物溶解-擴散膜是商業應用膜的主要材料，多為玻璃態聚合物與像膠態聚合物。玻璃態聚合物優先透過小的非可凝性氣體，如H2、N2和CH4等；像膠態聚合物優先滲透透大的可凝性氣體，如丙烷和丁烷。
聚合物溶解-擴散膜較其他膜材料更具經濟性，是氣體分離用膜的主要材料，其主要問題是高溫、高壓及存在高吸附性組分時，穩定性會受到影響。
分子篩膜材料是另一種選擇，主要借助分子大小差異實現分離。這類膜具有非常小的、可排斥某些分子的超微孔，而允許另一些分子通過。實驗室研究表明這類膜的滲透性能吸引力。然而，這類膜加工困難，易碎，制造費用昂貴。
表面選擇流膜 有利于較大滲透物透過膜，而截留較小的組分。這類分離可通過表面選擇流膜實現。這類膜具有納米孔隙，在孔隙表面上對吸附能力較強的組分選擇吸附，然后吸附組分通過孔表面擴散。由于吸附分子在膜孔中不產生空隙，從而對小的非吸附組分的傳遞產生阻力。最近，研究人員正在使用表面選擇流機理的膜組件進行中間放大試驗。
2.“復雜”溶解-擴散膜
這類膜類似于“單一”溶解-擴散膜，但分離機理較“單一”溶解-擴散膜復雜。可以進一步分為2類：促進傳遞膜和氫分離用鈀（合金）膜。
促進傳遞膜 優點是：在低的濃度推動力下即可實現高的滲透性能，選擇性高；缺點是穩定性差，至今尚無工業化應用。
鈀基膜 其對氫具有很高的選擇性。氫分子在鈀膜表面吸附解離，形成具有部分共價鍵的鈀雜化物；然后原子氫在金屬內部擴散過膜，并在膜下游重新結合為氫分子。由于純鈀膜經多個氫吸附和脫附循環后會發生氫脆，常用鈀合金代替。這類膜的典型用途是作為膜的反應器，結合某些反應在一個單元中完成氫的產生和分離。
3.離子導體膜
由離子導體材料制成，其中最重要的是固體氧化物膜和質子交換膜。
固體氧化物膜 可分為2類：混合離子電子導體（MIEC）和固體氧化物。MIEC能夠傳導氧離子和電子，用于需要氧或氧離子的非電化學過程。固體氧化物則僅傳導氧離子，不傳導電子，這種情況下，電子通過外電路傳導，產生電能。氧的傳遞過程包括2個氣-膜表面的電化學反應和氧離子透過固體氧化物膜等3個步驟。與聚合物膜相比，這類膜具有高的選擇性和通量，但需要高溫（700℃）下操作，大規模應用前需要解決高溫密封，以及膜對溫度的敏感性等問題。
質子交換膜 從某種意義上說是固體氧化物的類似物，也是只傳導質子，不傳導電子。膜材料可以為聚合物或無機物，為Nafion（噶種磺化聚合物）。這類膜已在燃料電池中獲得應用。
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