超濾時，由于“篩分”作用，料液中的部分大分子溶質會被膜截留,溶劑及小分子溶質則能自由地透過膜，表現出超濾膜的選擇性。被截留的溶質在膜表面處積聚,其濃度將逐漸升高。在濃度梯度的作用下，膜面附近的溶質又以相反方向向料液主體擴散，達平衡狀態時,膜表面形成以溶質濃度分布邊界層，對溶劑等小分子物質的運動起阻礙作用，如圖9-26所示。這種現象稱為膜的濃差極化。圖中界面上比主體溶液濃度高的區域為濃差極化層。

  濃差極化是可逆的，但是，由于超濾膜截留的溶質大多是大分子或膠體，當膜面溶質濃度極高，達到大分子或膠體的凝膠化濃度踞時，這些物質會在膜面形成凝膠層。如果溶質是顆粒物，如活性污泥，則會形成一層濾餅。膜面的凝膠層或濾餅層非常致密，相當于第二層膜。此時，溶質會被完全截留。這個過程幾乎是不可逆的。此時的濃差極化阻力分為兩個部分，即濃差極化層阻力Rd和凝膠層阻力Rg,并且Rg要比Rd大得多。