A membrános gázszeparáció pórusos membránokkal történő megvalósításakor a szétválasztás alapja – a bevezető fejezetben említett – Graham-féle diffúzió. A gázelegy szétválasztásának ezen módja a molekuláris diffúzión alapszik. Eszerint a zárt edényben lévő gázkeverék minden molekulájának kinetikus energiája termikus egyensúly esetén azonos. Ebből következik, hogy a könnyebb molekulák átlagos sebessége nagyobb, ezért gyakrabban ütköznek a határoló falnak, mint a nagyobb molekulatömegű komponensek. Abban az esetben, ha a gázmolekulák átlagos szabad úthossza összemérhető a porózus fal átlagos pórusátmérőjével, a fal pórusain a könnyebb molekulák a koncentrációjukhoz képest nagyobb arányban jutnak ki, mint a nagyobb molekulatömegűek. Így ha a membrán mögötti térben kezdetben nem voltak kiindulási anyagok, akkor a gázmolekulák membránpórusokon való átjutása következtében a termodinamikai egyensúly eléréséig a könnyebb molekulák koncentrációja magasabb lesz, mint a kezdeti keverékben.