活性炭是一种微孔结构发达、吸附性能优良、用途很为广泛的吸附剂。无论对有机物或无机物，对离子型或非离子型物质，都具有一定的吸附能力，而且，活性炭表面还能起接触催化作用。活性炭广泛应用于国民经济各个部门，如食品、制糖、制酒、制药、冶金与化学等工业部门；还有环境保护、节约能源、军事防化、医学、 以至宇宙航行和原子能电站等。 活性炭在净水处理工艺中常用于以下三方面：
1 用于生活饮用水的除污染处理，去除自来水中的嗅味、酚、卤代甲烷（如氯仿等）和余氯等。
2 用于制备高纯水的予处理，使自来水进行离子交换前予先去除水中的有机物、微生物、胶体和余氯等、以防离子交换树脂被有机物等污染，影响交换能力和使用寿命。
3 用于电镀、印染、炼油等废水的三级处理，使废水二级处理中不能被生物分解的某些剩留有机物经活性炭吸附处理 除。水的净化处理所用活性炭，在美、日等国家中往往占他们的活性炭年生产量总量的40-50%左右。我国目前由于存在制水成本高和活性炭再生等问题，因此在净水工艺中应用活性炭还不普遍。
为要经济合理地在净水工艺中应用活性炭吸附剂，就应了解活性炭的基本特点和吸附机理。活性炭是由80%-90%的碳组成的孔隙发达的结构，市售活性炭的孔隙比表面积常达每克炭一千平方米左右，比表面积大小基本上反映了活性炭吸附能力的大小。活性炭中的碳具有堆积疏松、连结牢固的类似石墨的层状晶体结构，各晶体之 间存在着许多形状不同，大小不等的孔隙。最大的孔隙可用光学显微镜观察到，最小的孔隙只相当于被吸附的小分子物质那 样大小。根据活性炭上的孔隙大小，通常可分为三类：
1 大孔 孔隙有效半径＞1000Å；
2 过渡孔 孔隙有效半径=15-1000Å；
3 微孔 孔隙有效半径＜15Å。
一般活性炭的全部微孔表面积约占孔隙总表面积的90%以上，活性炭孔隙大小的分布情况与制造活性炭的原料和制造方法等有关。椰壳制造的活性炭孔隙最小，木屑制造的活性炭孔隙最大，煤质活性炭的孔隙大小介于椰壳炭和木屑炭之间，具有较多的过渡孔孔隙和较大的平均孔径。活性炭的吸附主要依靠发达的微孔结构，当被 吸附物分子较大时，则过渡孔也起较重要的作用，大孔由于其表面积占活性炭总表面积的比例很小，因此其吸附量可以忽略不计。于是，净水处理工艺中，分子直径为10-5-10-8厘米的溶解性有机物容易被活性炭所吸附。正因为活性炭主要是依靠其内部发达的孔隙结构来吸附去除杂质，因此，自来水或废水在经活性炭吸附处理之前需要先经充分的澄清、过滤等予处理，否则水中较大的悬浮物或胶体等杂质会堵塞活性炭床中的孔隙通道 ，大大影响活性炭孔隙吸附优势的发挥。
在吸附理论方面作了大量工作的苏联学者杜宾宁认为：由于活性炭的非极性性质，因此吸附时主要依靠范德华力中的弥散力作用进行物理吸附。这种弥散力的产生是由于在任何分子（包括非极性分子）之间负电荷在电子云不同点上发生偶然的瞬时集聚而引起的。活性炭较适合于对有机化合物、特别是对芳香族化合物的吸附，支链化合物相对比直链化合物容易被活性炭所吸附，对分子量40以下的低分子量溶解性有机物来说，分子量越大，与活性炭表面之间的范德华引力越大，吸附效果就越好。实验得出活性炭净水除酚效果的良好，证实了上述论点。除了孔隙结构显著影响活性炭吸附性能外，活性炭表面的化学性质（主要以氧和氢为代表的表面官能团）与某些吸附物之间有化学结合力，均为化学吸附，对不同的吸附物分子有选择性吸附功能。待处理净化的水中一般同时存在着二种以上的吸附杂质，根据它们的不同性质（如表面官能团情 况、分子大小、分子量等），有的能相互诱发吸附；有的能相当独立地被吸附；有的则相互干扰阻抑地竞争吸附，竞相被活性炭吸附。由于某些不同杂质与活性炭表面之间吸引力大小的不同和水合作用的强弱，某些原已被吸附在活性炭表面的杂质也可能重新被其他吸附能量较高的杂质置换出来。竞争吸附杂质的相互干扰阻抑程 度，与各种杂质分子的相对大小、各种杂质的相对浓度、以及相互的吸附亲合性等因素有关。因此，当对某些性质较复杂、净化处理要求较高的水采用活性炭吸附工艺时，应当先对各别杂质分别做竞争吸附的试验研究后 ，再做吸附系统的设计。由于活性炭吸附主要是物理吸附过程，因此就整个吸附体系来说，是属于放热过程。 水温高将不利于热量的释放，吸附效果就差。而且水温越高，水中吸附质的分子动能越大，抵抗活性炭表面引力的能力也就越大，有些即使已被活性炭吸附的杂质也可能被解吸下来。因此，活性炭吸附宜在水温不高的情况下进行。
活性炭吸附可分成气相吸附和液相吸附二类，根据吸附质和用途要求不同，宜分别选用较合适的不同规格品种的活性炭。由于活性炭主要是物理吸附，被吸附物质的分子大小越接近于活性炭孔隙大小，就越容易被吸附；被吸附物质在水中的溶解度越大，则吸附量越小。与气相中的杂质分子相比，液相 中的杂质分子相对比较大（水中有机物分子直径一般为10-30Å），因此，净水处理工艺中所用的活性炭，除了主要依靠微孔吸附外，过渡孔也可较好地吸附水中较大分子的杂质，净水炭最好有较多的半径为10-50Å的过渡孔，过渡孔孔隙体积最好有0.2毫升/克左右。煤质活性炭孔隙结构较适合此要求，其中褐煤质活性炭比烟煤质活性炭形成的孔隙分布情况更合适些。为了操作简单和便于再生重复利用，近些年来，净水工艺中所用活性炭一般趋向于使用颗粒状活性炭。颗粒炭的粒度宜在8-30目之间，其有效粒径最好在0.85毫米左右（粒度太大，净化吸附效果较差，粒度太小，水流流经炭床的阻力较大）。由于净水炭的孔隙要求较大，因而炭的比表面积和碘值并不要求很高。此外，选用净水炭时要求吸附容量较大，吸附速度较快，机械耐磨强度较高，炭质本身不含有害物质，价格比较低廉。作为制取纯水前予处理用的活性炭，更要求吸附容量大，炭质优良，并在自来水进活性炭过滤器之前，最好再先经过一道砂滤器过滤的予处理，其流程如下：
自来水→砂滤器→活性炭过滤器→离子交换设备系统→高纯水
碘值表示活性炭吸附去除水中各种特殊有机物的能力，是衡量活性炭微孔结构发达情况，比较各种活性炭活性的传统评价指标。碘分子的直径较小，为5.32Å，因此碘分子可全部进入活性炭孔隙中，而水中有机色度等分子直径一般均大于10Å，许多杂质进不了活性炭微孔。活性炭去除水中嗅味的使用寿命远比去除水中有机色度 的使用寿命要长，就是这个道理。所以碘值实际上不能确切予示活性炭去除水中有机杂质的可能程度，因而目前多用CCE值（Carbon Chloro-form Extract，活性炭的氯仿萃取物）来予计净水炭的有效使用寿命。
衡量不同品种的活性炭吸附量大小，通常是通过活性炭对溶液中被吸附杂质（溶质）的吸附等温线资料来相对比较。吸附等温线，是在一定溶液温度下活性炭吸附溶液中的溶质达到平衡时，活性炭吸附容量a与溶液中剩留溶质浓度c的关系曲线。可用弗伦特利希（Freundlic）吸附等温式表示：
a=KC1/n
式中：a——达吸附平衡时活性炭的吸附容量，称平衡容量，即单位重量活性炭吸附的溶质重量。
C——达吸附平衡时溶液中剩留溶质的浓度。
K、n——系数，其值取决于活性炭的性质、溶质的性质、溶液浓度、温度和pH等。一般活性炭的吸附等温线线型如图1所示。n值通常大于，因此a随C的加大而加大，但其增量则随C的增加而减少。这是吸附平衡的概念，即活性炭吸附溶液中溶质的能力是该溶质的平衡浓度的函数，平衡浓度越高（如用于工业废水的三级处理中） ，吸附容量就越大，活性炭的吸附能力就发挥得越充分。
由于净水用活性炭的需用量大，并且活性炭价格较贵，为了降低制水成本，因此应当尽可能设法再生重复使用 活性炭。常用的活性炭再生方法有加热再生、化学再生和生物再生法，此外还有高频脉冲放电法、直流电再生 法、微波再生、远红外线加热再生法等。加热再生法是比较广泛使用的再生方法，主要步骤是：
1 将失效活性炭加热至105℃以上，使水分蒸发，炭粒干燥。
2 在贫氧情况下，将活性炭升温至800℃左右，使大部分被吸附的有机物被热解和炭化。
3 对活性炭继续加温到90℃左右使之活化。形成用水蒸气和二氧化碳使炭化的有机物变成气体从活性炭中逸出 ，另一部分被吸附物则与水蒸气反应达到氧化分解的再生目的。化学再生法是根据被吸附物的性质，选用强氧 化剂（臭氧、次氯酸钠溶液等）摧毁活性炭所吸附的有机物；或选用适当的酸、碱等化学药剂浸洗活性炭（可 辅以加温），使与被吸附物起化学反应，转化成可溶性盐类脱离活性炭颗粒而达到再生目的。如对吸酚失效的活性炭可用氢氧化钠溶液使生成酚钠C6H5ONa脱附再生；
C6H5OH+NaOH=C6H5ONa+H2O生物再生法是促使活性炭内繁殖需氧菌，以达到将有机污染物氧化分解、生物降解而从活性炭上分离去除的再生目的。韦伯（Weber）等人对活性炭吸附分解有机物的生物降解过程说明如下（见图2）：
1 水中较大的有机分子A向活性炭颗粒表面扩散而被吸附；
2 A在紧附活性炭表面存在的嫌气性生物膜内被分解成小分子B；
3 这些小分子有机物B由于太小，在分子热运动作用下不易被活性炭吸着而脱离开嫌气性生物膜，扩散到炭粒外侧的好气性生物膜中；
4 B进一步被需氧菌分解成二氧化碳和水，有机杂质因之被从水中生物降解去除。
加热再生法再生效率高，效果比较稳定可靠，但加热再生过程对活性炭强度有所影响，要损耗一部分（5-10% ）活性炭，消耗相当数量的燃料和电能，再生费用较大，而且修建管式转炉、多段炉或沸腾炉等炭化活化装置的基建费用较大。化学再生法的使用有一定局限性，再生效率不高，再生效果不够稳定，再生成本较高，优点主要是设备简单，操作较方 便，节约能源。生物再生法只适用于容易生物降解的有机污染物，不需要特殊的再生装置和药品，不需高温加热，再生成本低，但微生物分解速度缓慢，再生历时较长，再生效率受温度、水质等因素影响，效果不够稳定 。国内近年来在有些印染、化工、医药等工业废水处理中应用活性炭吸附和微生物再生的方法，处理和再生效果较好。