Dans la séparation des gaz par membrane, le gaz à traiter est envoyé vers une membrane semi-perméable faite d'un matériel adapté.
Sous une tête hydrostatique donnée, le gaz est divisé en deux flux, l'un riche (le perméat) et l'autre appauvri en composant ciblé (le concentrat). Une bonne performance de séparation ne sera obtenue que si la membrane est plus perméable à la composante ciblée qu'aux solvants (molécules d'air ou de gaz non désirés).
C'est pourquoi, l'efficacité de séparation dépend de la sélectivité des membranes, de la pression dans l'enceinte, de la pression osmotique du gaz à traiter et de l'étendue à laquelle le composant ciblé doit être extrait du flux d'air.
Si la concentration d'origine du composant ciblé dans le flux d'air est très faible, un degré élevé de vide sera nécessaire sur le côté riche en composants cibles de la membrane. Habituellement, la concentration de rétentat est supérieure à ce que la réglementation permet, donc un traitement supplémentaire est nécessaire.
Les trois principaux types d'unité de séparation de gaz à membrane sont :