中空纤维膜是用数以万计的高分子材料制成的中空纤维丝聚合的膜组件。依靠不同气体在膜中溶解和扩散系数的差异而具有不同的渗透速度来实现气体的分离。当混合气体在驱动力―膜两侧压力差作用下，渗透速率相当快的气体如水汽、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜后，在膜的渗透则被富集，而渗透速率相当慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等被滞留在膜的滞留则被富集从而达到混合气体分离的目的。膜分离制氮机就是根据以上原理，以压缩空气为原料气来提取较高纯度的氮气。