气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔膜。它们的分离机理各不相同。

（1）非多孔均质膜的溶解扩散机理

        该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另
一侧逸出。
        根据这一机理，研究结论如下：
        1) 气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性质直接有关。
        2) 在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t成正比。
        3) 气体透过量与膜的厚度l成反比。
        扩散系数D和溶解度系数S与物质的扩散活化能ED和渗透活化能Ep有关，而ED 和Ep又直接与分子大小和膜的性能有关。分子越小， Ep也越小，就越易扩散。 这就是膜具有选择性分离作用的理论依据。
        高分子膜在其Tg以上时，存在链段运动，自由体积增大。因此，对大部分气体来说，在高分子膜的Tg前后，D和s的变化将出现明显的转折。
        值得指出，在实际应用中，通常不是通过加大两侧的压力差（Δp）来提高q值，而是采用增加表面积A、增加膜的渗透系数和减小膜的厚度的方法
来提高q值。

（2）多孔膜的透过扩散机理

        用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。
        流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时，有三种情况：Kn≤1  属粘性流动；Kn≥1  属分子流动；Kn ≌1  属中间流动。
        多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时，这时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁间反复碰撞，并呈独立飞行状态。
       按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分离效率为：

        此式说明，被分离物质的分子量相差越大，分离选择性越好。
        多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结构，而与膜材料性质无关。

通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离膜的气体透过率P、扩散系数D和溶解系数S的考察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从下表的数据可知，大的侧基有利于提高自由体积而使P增加。
             某些聚合物材料的氧气透过率  

品种	×10-2 /kPa	品种	×10-2 /kPa
聚乙烯	0.4		5.9
聚丙烯	1.63
聚异丁烯	1.3		7.5
1, 2—聚丁二烯	9.0
1, 4—聚丁二烯	29.5		34
3, 4—聚异戊二烯	4.8
1, 4—聚异戊二烯	23.0

一般情况下，聚合物中无定型区的密度小于晶区的密度。因此气体透过高聚物膜主要经由无定形区，而晶区则是不透气的。这可以通过自由体积的差别来解释。但对某些聚合物可能出现例外，如4-甲基戊烯（PNP）晶区的密度反而小于非晶区的密度，故其晶区可能对透气性能也有贡献。

        聚合物分子链沿拉伸方向取向后，透气性和选择性均有所下降，如未拉伸的聚丙烯的    和αO/N分别为163kPa和5.37，经单向拉伸后变为111kPa和5.00，经双向拉伸后则变为65kPa和4.38。
        高分子的交联对透气性影响的一般规律是随交联度的增加，交联点间的尺寸变小，透气性有所下降。但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等，透气性则下降不大。

根据不同的分离对象，气体分离膜采用不同的材料制备。

1）H2的分离

        美国Monsanto公司1979年首创Prism中空纤维复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主要有醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等。其中聚酰亚胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。它是由二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。

2）O2的分离富集

        制备富氧膜的材料主要两类：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分子材料。   
        PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中    最高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点：一是分离的选择性低，二是难以制备超薄膜。

        含有三甲基硅烷基的聚[1—(三甲基硅烷)—1—丙炔]（PTMSP）的比PDMS的要高一个数量级。

        从分子结构来看，三甲基硅烷基的空间位阻较大，相邻分子链无法紧密靠近，因此膜中出现大量分子级的微孔隙，扩散系数增大。

       此外，富氧膜大部分可作为CO2分离膜使用，若在膜材料中引入亲CO2的基团，如醚键、苯环等，可大大提高CO2的透过性。同样，若在膜材料中引入亲SO2的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜等），则能够大大提高SO2分离膜的渗透性能和分离性能。具有亲水基团的芳香族聚酰亚胺和磺化聚苯醚等对H2O有较好的分离作用。

气体分离膜的应用领域 气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品，已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司用聚酯类中空纤维制成的H2气体分离膜，对组成为70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分离，可获得含90％H2的分离效果。 此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离N2或CO2，从烟道气中分离SO2、从煤气中分离H2S或 CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。