活性炭属于一种非极性吸附剂，对非极性、弱极性的有机物有很好的吸附能力。在水处理中，活性炭作为一种深度处理技术，可以用来吸附去除水中的有机物、色、嗅、味和部分重金属离子。
1、活性炭吸附原理
活性炭的制造与性能
活性炭的形态主要分为粒状炭（GAC）和粉状炭（PAC）两大类。粒状炭可在自来水厂、小区处理站或家用净水器中用于水质的深度处理。粉状炭主要在水源水质季节性恶化的自来水厂中用于水质预处理或应急处理。近年来又开发了活性炭纤维（ACF）产品，活性炭纤维具有更为丰富的微孔，吸附容量与吸附速度都优于粒状炭，但价格很高，目前只在极少数家用净水器中采用。
活性炭是用含有碳的原料制成的，其材料包括：煤、果壳、木屑等。经过高温炭化和活化后，形成了含有丰富孔隙结构的活性炭产品。果壳炭的吸附性能要优于煤质炭，但价格也较高。自来水厂和小区处理站多采用煤质炭，家用净水器多采用性能更高的果壳炭。活性炭的制造工艺见图1。
活性炭中的孔隙可以分成三类：
（1）微孔,孔径<40Å，其表面积占活性炭总的表面积的95%以上，是活性炭的主要吸附区；
（2）中孔,又称过渡孔,孔径40-1000Å，其表面积占总表面积的5%以下，中孔为吸附质进入微孔提供了通道，并可以吸附一些大分子有机物，但因其表面积较小，对大分子有机物的吸附能力有限；
（3）大孔,孔径>1000Å，占总表面积的不到1%，主要为吸附质提供通道。
活性炭的孔隙率可达0.6～0.9cm³/g，比表面积在700-1200㎡/g。活性炭的吸附机理主要是物理吸附，通过很大的比表面积对吸附质进行吸附。活性炭在高温制备过程中，炭的表面形成了多种官能团，这些官能团对水中的部分离子有一定的化学吸附作用，因此活性炭也可以去除多种重金属离子，其作用机理是通过络合螯合作用，它的选择性较高，属单层吸附，并且脱附较为困难。
吸附容量与吸附等温线
活性炭吸附可以分称为两大类：液相吸附和气相吸附。液相吸附属于固液吸附，如水处理中的活性炭吸附，是本书主要论述对象；气相吸附属于固气吸附，如用活性炭进行工业有机废气处理、用于防毒面具等。
1．吸附影响因素
（1）吸附质的化学性状
吸附质的极性越强，则被活性炭吸附的性能越差。
（2）吸附质的分子大小
活性炭的主要吸附表面积集中在孔径<40Å的微孔区。饮用水处理中实测发现活性炭主要去除分子量<1000的物质，其最大去除区间的分子量为500-1000(饮用水水源中分子量<500部分主要为极性物质，不易被活性炭吸附）。
2．吸附容量确定
活性炭吸附对特定吸附质的吸附容量一般用静态烧杯试验确定：取一定量的实际水样于烧杯中，加入不同炭量，搅拌吸附，待吸附平衡后，测定平衡浓度，计算吸附容量。为加速吸附过程，粒状炭先研磨成粉状，过325目筛。吸附平衡时间大约为1h.。
2、活性炭吸附的运行方式与设备
运行方式
活性炭分粉状炭和粒状炭两大类，其运行方式与设备各不相同。生活饮用水粉状炭吸附处理是把粉状炭先配成炭浆，随水连续投加，经吸附后再从水中重力分离出来。粉状炭吸附处理可与其他处理工艺合并在一起进行。例如在自来水厂中，粉状炭一般是在预处理处投加，或是与混凝剂一起投加，经过混凝反应后，与混凝剂、悬浮物等共同形成矾花体，再在后续的沉淀池中沉降分离。
粉状炭吸附的优点是：除投加系统外，可不增加处理构筑物；可用于水源水水质恶化的补充与应急处理系统。不足之处是：粉状炭难于回收，属一次性使用，尽管粉状炭的价格低于粒状炭，但处理费用也不低。此外，因粉状炭吸附中炭是与出水浓度相平衡进行吸附的，炭的吸附能力未得到充分发挥。
对于生活饮用水处理中主要采用的粒状炭，其运行方式可以分为吸附与再生两个阶段。
1．吸附
粒状炭吸附采用粒状炭过滤的形式。在水厂中，粒状活性炭吸附设备多采用重力式过滤床的形式，根据水在炭层中的流向，又分为降流式和升流式两种。对于小区处理站和家用净水器，粒状炭吸附设备采用压力式活性炭吸附罐。
按照活性炭吸附工艺的理论，在炭床中炭层分为：饱和层、吸附带、未工作层三部分，以降流式为例，随着吸附运行时间的增加，进水首先与上部的炭接触，在吸附带中吸附质被吸附，使上部的饱和层不断加厚，吸附带逐步下移。
以上炭床分层的分析是基于单一吸附质的。在实际的饮用水处理中，活性炭吸附面临的往往是多组分、低浓度、长吸附周期，存在竞争吸附和排代吸附（排代吸附指炭上已被吸附的弱吸附质被水中强吸附质所取代，造成弱吸附质脱附的现象），并在一个吸附周期（大约一年）中要进行多次炭床的反冲洗（自来水厂中炭滤池需每周冲洗），炭层经常被混层。在此种运行条件下，炭床中并无明显的吸附能力分层现象。
当出水不能达到处理要求时，炭床退出运行进行活性炭的再生。对于原水水质较好的饮用水处理，活性炭的吸附周期一般在1年左右。但是如果原水水质较差，则炭的吸附周期将大为缩短，只有几个月。此外，如果采用不同的控制指标，炭床的吸附周期也不同。如果以吸附性极差的三卤甲烷作为炭床工作的终点，吸附周期只有1-3个月；但是如果以对嗅、味和有机物的综合去除为工作终点，活性炭的吸附周期可达1年左右。对于家用净水器的活性炭吸附罐，影响炭使用寿命的主要因素是：原水水质、累计处理水量和装炭量等。
2．再生
饱和的粒状活性炭通过再生可以恢复炭的吸附能力。炭再生方法有：热再生法、溶剂再生法、蒸汽再生法等。其中，热再生法的适用范围最广，饮用水吸附饱和炭的再生都是采用热再生法。溶剂再生法和蒸汽再生法主要用于少数高浓度、单组分、有回收价值的工业废水的活性炭吸附处理。
热再生法的方式有：燃气或燃油加热式、放电加热式、远红外加热式等。其中燃气或燃油式适合与大中型炭再生设备，放电加热式和远红外加热式只适合于小型炭再生设备。
