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膜分離技術是基于薄膜對氣體組分具有選擇性滲透和擴散的特性，以達到氣體分離和純化的目的。氣體中各種組分透過膜的速度不同，每種組分透過膜的速度與該氣體的性質、膜的特性和膜兩面的分壓差有關。透過膜的氣體組分不可能達到 的純度。氣體分離膜通常可分為多孔材質和非多孔材質，它們無機物（多孔玻璃、陶瓷、金屬、電子導電性固體和鈀合金等）或有機高分子（微孔聚乙烯、多孔醋酸纖維、均質醋酸纖維、聚硅氧烷橡膠和聚碳酸脂）組成。 [4] 
凈化后的壓縮空氣經過緩沖罐，聯合過濾器后由膜組一端進入，氣體分子在壓力作用下首先在膜的高壓側接觸。混合氣體在膜的高壓側表面以不同的溶解度溶于膜內，然后在膜兩側壓力差的推動下，混合氣體的分子以不同的速度向膜的低壓側擴散。經過溶解和擴散兩個過程的選擇，終混合氣體被分離成各個組分。例如：空氣、氧氣的透過速度大于氮氣，經過膜分離之后，高壓側留下的氣體富氮，而透過去的氣體富氧。

該方法是以壓縮空氣為原料，一般以分子篩為吸附劑，在一定的壓力下，利用空氣中氧氣和氮氣分子在不同分子篩表面吸附量的差異，在一定時間內氧在吸附相富集， 氮在氣體相富集，實現氧、氮分離；而卸壓后分子篩吸附劑解析再生，循環使用。 [3]  吸附劑除了分子篩之外，還可應用活性氧化鋁、硅膠等。 
目前， 常用變壓吸附制氮裝置是以壓縮空氣為原料，碳分子篩為吸附劑，利用氧和氮在碳分子篩上的吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差異及分子篩對氧和氮隨壓力不同具有不同的吸附容量的特性來實現氧、氮分離。首先，空氣中的氧被碳分子篩優先吸附，從而在氣相中富集氮氣。為連續獲得氮氣，需兩個吸附塔交替工作。

深冷分離法工藝已經歷了 100 多年的發展，先后經歷了高壓、高低壓、中壓和全低壓流程等多種不同的工藝流程。隨著現代空分工藝技術和設備的發展，高壓、高低壓、中壓空分流程已基本被淘汰，能耗更低、生產更安全的全低壓流程已成為大中型低溫空分裝置的。全低壓空分工藝根據氧氮產品壓縮環節不同，又分為外壓縮流程和內壓縮流程。全低壓外壓縮流程生產出低壓氧氣或氮氣，然后經外置的壓縮機將產品氣體壓縮至所需壓力供給用戶。全低壓內壓縮流程將精餾產生的液態氧或液態氮在冷箱內通過液體泵加壓至用戶所需壓力后汽化，并在主換熱器內復熱后供給用戶。主要工藝過程為原料空氣過濾、壓縮、冷卻、純化、增壓、膨脹、精餾、分離、復熱、外供。

深冷分離法又稱為低溫精餾法，利用空氣中氮氣與氧氣的沸點不一致來分離氧氣和氮氣。由于氮氣的沸點（-196℃） 低于氧氣（-183℃），在液態空氣的蒸發過程中，液氮比液氧更容易變成氣態，而在空氣液化過程中，氧氣比氮氣更容易變成液態。由于氮氣與氧氣的沸點相差不大，液態空氣與氣態空氣需經過反復多次的蒸發、冷凝、再蒸發過程（該過程稱為低溫精餾過程），終在精留塔頂部氣相餾分中就可以過得較高高純度的氮氣，氮氣的純度取決于精餾塔的塔板級數和精餾效率。
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