ダイアライザ(血液浄化器)、ヘモフィルター(血液濾過器)は膜分離技術を応用した血液浄化モジュールである。そこで生じる溶質除去、過剰水分の除去には拡散・濾過の２つの物理的原理を利用している。また溶質が拡散・濾過により膜を透過する際、膜素材との親和性により、一部の溶質が膜に付着(吸着)することもある。

また、いずれの溶質とも最終的に図１ｂの定常状態に達するが分子サイズ(近似的に分子量)の小さい溶質ほど拡散速度は大きい。拡散係数はその溶液の拡散のしやすさを表す指標で、分子量の増加とともに減少している。また両者の関係は両対数紙上で右下がりの直線傾向がみられることから、次式でみられるべき乗関数で表すことができる。

血液量充填量(プライミングボリューム)50mlのダイアライザに200mlで血液が流れる場合、50/200=0.25分=15秒が平均滞留時間となる。したがって、わずか15秒間では各溶質の拡散移動は定常状態には達しておらず、血液−透析液間で濃度差が残ったまま、ダイアライザから流出していることになる。この結果、単位時間あたりの除去量は拡散速度の大きい小分子物質ほど多く、分子が大きくなるにつれて少ない結果となる。

拡散現象が生じるとき溶媒である水は拡散方向とは逆に、溶質の低濃度側から高濃度側に移動する。これを溶媒の浸透現象という。図1の例では各溶質に対する浸透流が相殺され、見かけ上、水分は移動していない。通常の血液透析で用いられる透析液も血漿とほぼ等張に作られているため、見かけの浸透流はきわめて小さい場合がほとんどである。

血液透析で用いられてる透析膜では、体内に蓄積した老廃物を除去し、Ca²⁺，HCO_３^ｰを補給するため、これらの溶質の高い膜透過性が望まれる。一方、患者にとって有用な有形成分、血漿蛋白の大部分を漏出させず、細菌が透析液側から侵入できないようにしなければならない。このようにある溶質成分は透過させ、別のある成分は透過させないような膜を半透膜という。半透膜を用いた拡散移動を透析と呼び、医療で用いられる血液透析とはまったく意味が異なる。すなわち、前者は物理現象についての表現であるのに対し、後者は一治療法を指している。後者には後述の限外濾過による溶質移動も含まれるが、前者には含まれない。前者の透析現象には、溶質の拡散現象とともに、不透過溶質に対する溶媒の浸透現象が逆向きに生じる。血液透析でも血漿蛋白に対する膠質(コロイド)浸透圧が20〜25mmHg程度生じることになるが、透析液の浸透圧を血清浸透圧と同程度にしているので、実際に生じる溶媒の浸透流は少ない。

　限外濾過

図2ａの状態で溶液Ａを押す(陽圧をかける)と、溶液Ａの一部が膜を透過し、溶液Ｂに移動し図２ｂの状態になる。この現象を濾過といい、圧力差を推進力とする。濾過は図２の溶液Ｂを引いても(陰圧をかけても)同様に生じるが、浸透圧差が存在しない限り自発的には生じない。血液透析や血液濾過、それらを組み合わせた血液透析濾過といった治療法では、有形成分や血漿蛋白を分離し、それ以下の血漿水成分(血漿から蛋白を除いた成分)を透過させるような限外濾過膜が用いられる。

　図３は膜間圧力差と透過量の関係を示している。膜間圧力差とは陽圧、陰圧によって膜の両側に形成された圧力差を意味する。図から明らかなように純水濾過した場合、膜間圧力差に比例した濾過量が得られるのに対し、血液系では、低圧領域でほぼ比例的な濾過量が得られるものの、やがて頭打ちとなり、最終的に最大(限界)値に到達する。したがって、ある膜間圧力差以上に陽圧もしくは陰圧を増しても、もはや濾過量は増えないことを意味している。この理由については通常ゲル分極モデルによって説明される。膜不透過溶質である血漿蛋白はバルク(血液)側膜近傍で、膜濃度分布を濃度分極と呼ぶ。この状態がさらに続くと、やがて溶解度を超えた血漿蛋白が膜面上にゲル化して層をなし、そのとなり(バルク側)に濃度分極層が形成される状態となる。濃度分極層では、圧力差によって膜面方向へ運ばれる蛋白の移動量と濃度分極で形成された濃度差を推進力にした逆拡散蛋白の移動量が釣り合い、透過量はもはや増加しなくなると考えられる。

濾過によって膜を透過するのは溶媒の水だけではなく、膜の細孔より小さな溶質も運ばれる。膜の細孔径に溶質径が近づくにつれ、溶質の一部は溶媒である水と一緒に運ばれるものの、残りは膜で阻止されるような現象がみられてくる。この透過の程度を表す指標として、次式などで定義されるふるい係数(ＳＣ)がある。

　

図4はふるい係数と溶質の分子量との関係を表している。この曲線を分画曲線と呼ぶ。水溶液系実験の結果でもシャープな分離が得られてない理由は、膜に均一な細孔が開いておらず、孔径分布が存在するためである。イヌの体外循環実験で分画曲線はさらになだらかになっているが、これはバルク(血液)側近傍に形成された血漿蛋白のゲル層の影響を受けるためである。