膜分离技术是利用特殊制造的多孔材料的拦截作用，以物理截留的方式去除水中一定颗粒大小的污染物。多孔膜基质可以促进微米级和亚微米级油粒合并为较大的油滴以便依靠重力分离。以压力差为推动力的膜分离过程一般分为微滤、超滤和反渗透3种，其中超滤应用较多。HUA等采用陶瓷微滤膜处理含油废水，当油的质量浓度从250mg/L逐步上升到1000mg/L时，TOC的去除率从95.8%上升到98%，当油的质量浓度为2000mg/L时，TOC去除率稳定在98%。CUI等制备了几种孔径不同的NaA/α-Al2O3微滤膜，采用平均孔径为1.2μm和0.4μm的微滤膜处理含油废水，其质量浓度为100mg/L的乳化液，实验发现孔径为1.2μm的微滤膜在压力为50kPa，流速为85L/(m·h)时，油的去除率高于99%，用热水和碱液进行反冲洗，再生效果良好。
上海宝山钢铁总厂冷轧厂采用内压管式膜超滤工艺处理乳化油废水，运行多年，效果良好。陆晓千等利用自制小型超滤设备对某厂的切削乳化液废水进行了实验室研究，其实验采用的原水质量浓度：COD为10000～30000mg/L，油为1000～3000mg/L，pH值为9.0～11.5，经超滤法处理后出水可以回用。CHANGA等研究了汽车制造业产生的脱脂废水和乳化液的处理与回用工艺，发现超滤膜的处理效果与废水性质有很大关系，脱脂废水仅采用超滤处理后可作为补水，乳化液经臭氧氧化和超滤处理后可作为工艺用水。
膜法进行油水分离的特征是纯粹的物理分离，不需要加入化学药剂，不产生含油污泥，虽然废水中油分浓度变化幅度大，但透过流量和水质基本不变，便于操作，设备费用和运转费用低。但也存在一些问题，如膜的热稳定性差，不耐腐蚀，污染后再生困难等，需要研究新的材料和方法制备出性能更好的膜。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档术文档。