本发明涉及膜分离领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的膜分离装置及其应用。该膜分离装置的主要功能区含有中空泡沫材料，该材料的结构在宏观上由三维连通的支撑骨架网络构建而成，支撑骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道，微通道管壁含有孔径尺度为埃级至微米级的孔隙。采用本专利所述的方法构建的基于中空泡沫材料的膜分离装置同时具有尺寸可调控的三种类型的孔隙：宏观三维连通开孔网络、三维连通的中空微通道、微通道管壁本体内的埃级至微米级孔隙。该膜分离装置具有如下优势特点：中空微通道的管壁本体作为承担分离作用的多孔膜，其一侧的待分离物或分出物可在宏观三维连通开孔网络内进行高效的物质、动量和热量传递。