膜分离工艺效率高，而且节省空间，因此膜分离在重金属废水处理领域具有很好的应用前景。常见的膜分离工艺包括微滤、超滤、纳滤和反渗透。微滤和超滤是膜分离中最常用的两种工艺。微滤和超滤是基于膜孔大小，通过筛滤作用，去除水中悬浮物或胶体颗粒。微滤膜的孔径一般为0.1～0.2μm，而超滤膜的孔径为5～50nm。Juang和Shiau等研究了采用壳聚糖对膜进行改性，去除废水中的Cu和Zn，结果表明改性后的膜能够去除水中100%的Cu和95%的Zn。
纳滤和反渗透被广泛应用于去除水中溶解性污染物，例如软化水或脱盐。纳滤膜适用于去除分子量为200～1000Da的颗粒，而反渗透膜则适用于去除分子量小于100Da的颗粒。纳滤膜常用于处理金属浓度为2000mg/L的无机废水。Figoli等利用两种商业纳滤膜(NF90和NF30)去除模拟废水中的As(Ⅴ)，研究结果发现，通过增加溶液的pH，降低反应温度和进水砷的浓度，都能提高纳滤膜对水中砷的去除率。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
反渗透膜可以去除水中一系列的溶解态污染物。Ozaki研究发现超低压反渗透可以有效去除模拟和实际电镀废水中的Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)离子。Qdais等发现通过采用反渗透技术可以去除水中98%的Cu(Ⅱ)和99%的Cd(Ⅱ)离子[21]。虽然纳滤对水中重金属的去除率并没有反渗透高，但纳滤所需压力比反渗透膜低，使其在实际水处理工艺中更受欢迎。膜分离(微滤、超滤、纳滤、反渗透)能够高效去除水中的重金属离子，同时也存在一些局限性，例如膜易污染、堵塞和透过率比较低等。