Οι διαχωρισμοί με μεμβράνες είναι φυσικές διεργασίες μεταφοράς μάζας και βασίζονται στην ιδιότητα μιας πορώδους ημιπερατής μεμβράνης να επιτρέπει την επιλεκτική διέλευση μιας ή περισσότερων ουσιών μέσα από τους πόρους της, ενώ συγχρόνως εμποδίζει την διέλευση άλλων. Οι μεμβράνες βρίσκουν συνήθως εφαρμογή στην απομάκρυνση στερεών μεγέθους έως και 0.0001 micro, τα οποία δεν απομακρύνονται αποτελεσματικά με την απλή διήθηση. Στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων χρησιμοποιούνται κυρίως για το διαχωρισμό οργανικών μακρομορίων (συνθετικών πολυμερών ή βιοπολυμερών). Στην τεχνολογία νερού οι μεμβράνες χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση διαλυμένων ιόντων με σκοπό την παραγωγή πόσιμου ή υψηλής καθαρότητας απιονισμένου νερού.