膜法分離空氣利用的是滲透原理，即洛陽氮氣和氧氣在非多孔高分子膜內的擴散速率不同。
當洛陽氮氣和氧氣吸附在高分子膜表面時，由于膜兩側存在著濃度梯度，使氣體擴散并通過高分子膜，接著在膜的另一側解吸。
因為氧氣分子的體積小于洛陽氮氣分子，因而氧氣在高分子膜內的擴散速率大于氮氣，這樣，當空氣通入膜的一側時，在另一側就可以得到富氧空氣，同一側得到氮氣。
用膜法分離空氣可以連續得到洛陽氮氣和富氧空氣。目前的高分子膜對氧、氮分離的選擇性系數只有3.5左右，滲透系數也較小。分離得到的產品氮氣濃度為95～99%，氧氣濃度僅為30～40%。膜法分離空氣一般是在常溫和壓力為0.1～0.5×106Pa的條件下操作的。
總之，由于洛陽氮氣和氧氣的膜分離法的崛起，中小規模的深冷空分裝置已開始讓出一部分市場。目前，膜法的主要缺點是產品濃度不夠高、回收率較低，這要通過改進吸附劑和高分子膜來克服。
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