活性炭是一種微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、吸附性能優(yōu)良、用途很為廣泛的吸附劑。無論對有機物或無機物，對離子型或非離子型物質(zhì)，都具有一定的吸附能力，而且，活性炭表面還能起接觸催化作用�；钚蕴繌V泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個部門，如食品、制糖、制酒、制藥、冶金與化學(xué)等工業(yè)部門；還有環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源、軍事防化、醫(yī)學(xué)、 以至宇宙航行和原子能電站等。 活性炭在凈水處理工藝中常用于以下三方面：
1 用于生活飲用水的除污染處理，去除自來水中的嗅味、酚、鹵代甲烷（如氯仿等）和余氯等。
2 用于制備高純水的予處理，使自來水進(jìn)行離子交換前予先去除水中的有機物、微生物、膠體和余氯等、以防離子交換樹脂被有機物等污染，影響交換能力和使用壽命。
3 用于電鍍、印染、煉油等廢水的三級處理，使廢水二級處理中不能被生物分解的某些剩留有機物經(jīng)活性炭吸附處理 除。水的凈化處理所用活性炭，在美、日等國家中往往占他們的活性炭年生產(chǎn)量總量的40-50%左右。我國目前由于存在制水成本高和活性炭再生等問題，因此在凈水工藝中應(yīng)用活性炭還不普遍。
為要經(jīng)濟合理地在凈水工藝中應(yīng)用活性炭吸附劑，就應(yīng)了解活性炭的基本特點和吸附機理�；钚蕴渴怯�80%-90%的碳組成的孔隙發(fā)達(dá)的結(jié)構(gòu)，市售活性炭的孔隙比表面積常達(dá)每克炭一千平方米左右，比表面積大小基本上反映了活性炭吸附能力的大小�；钚蕴恐械奶季哂卸逊e疏松、連結(jié)牢固的類似石墨的層狀晶體結(jié)構(gòu)，各晶體之 間存在著許多形狀不同，大小不等的孔隙。最大的孔隙可用光學(xué)顯微鏡觀察到，最小的孔隙只相當(dāng)于被吸附的小分子物質(zhì)那 樣大小。根據(jù)活性炭上的孔隙大小，通�？煞譃槿悾�
1 大孔 孔隙有效半徑＞1000Å；
2 過渡孔 孔隙有效半徑=15-1000Å；
3 微孔 孔隙有效半徑＜15Å。
一般活性炭的全部微孔表面積約占孔隙總表面積的90%以上，活性炭孔隙大小的分布情況與制造活性炭的原料和制造方法等有關(guān)。椰殼制造的活性炭孔隙最小，木屑制造的活性炭孔隙最大，煤質(zhì)活性炭的孔隙大小介于椰殼炭和木屑炭之間，具有較多的過渡孔孔隙和較大的平均孔徑�；钚蕴康奈街饕揽堪l(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)被 吸附物分子較大時，則過渡孔也起較重要的作用，大孔由于其表面積占活性炭總表面積的比例很小，因此其吸附量可以忽略不計。于是，凈水處理工藝中，分子直徑為10-5-10-8厘米的溶解性有機物容易被活性炭所吸附。正因為活性炭主要是依靠其內(nèi)部發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)來吸附去除雜質(zhì)，因此，自來水或廢水在經(jīng)活性炭吸附處理之前需要先經(jīng)充分的澄清、過濾等予處理，否則水中較大的懸浮物或膠體等雜質(zhì)會堵塞活性炭床中的孔隙通道 ，大大影響活性炭孔隙吸附優(yōu)勢的發(fā)揮。
在吸附理論方面作了大量工作的蘇聯(lián)學(xué)者杜賓寧認(rèn)為：由于活性炭的非極性性質(zhì)，因此吸附時主要依靠范德華力中的彌散力作用進(jìn)行物理吸附。這種彌散力的產(chǎn)生是由于在任何分子（包括非極性分子）之間負(fù)電荷在電子云不同點上發(fā)生偶然的瞬時集聚而引起的�；钚蕴枯^適合于對有機化合物、特別是對芳香族化合物的吸附，支鏈化合物相對比直鏈化合物容易被活性炭所吸附，對分子量40以下的低分子量溶解性有機物來說，分子量越大，與活性炭表面之間的范德華引力越大，吸附效果就越好。實驗得出活性炭凈水除酚效果的良好，證實了上述論點。除了孔隙結(jié)構(gòu)顯著影響活性炭吸附性能外，活性炭表面的化學(xué)性質(zhì)（主要以氧和氫為代表的表面官能團(tuán)）與某些吸附物之間有化學(xué)結(jié)合力，均為化學(xué)吸附，對不同的吸附物分子有選擇性吸附功能。待處理凈化的水中一般同時存在著二種以上的吸附雜質(zhì)，根據(jù)它們的不同性質(zhì)（如表面官能團(tuán)情 況、分子大小、分子量等），有的能相互誘發(fā)吸附；有的能相當(dāng)獨立地被吸附；有的則相互干擾阻抑地競爭吸附，競相被活性炭吸附。由于某些不同雜質(zhì)與活性炭表面之間吸引力大小的不同和水合作用的強弱，某些原已被吸附在活性炭表面的雜質(zhì)也可能重新被其他吸附能量較高的雜質(zhì)置換出來。競爭吸附雜質(zhì)的相互干擾阻抑程 度，與各種雜質(zhì)分子的相對大小、各種雜質(zhì)的相對濃度、以及相互的吸附親合性等因素有關(guān)。因此，當(dāng)對某些性質(zhì)較復(fù)雜、凈化處理要求較高的水采用活性炭吸附工藝時，應(yīng)當(dāng)先對各別雜質(zhì)分別做競爭吸附的試驗研究后 ，再做吸附系統(tǒng)的設(shè)計。由于活性炭吸附主要是物理吸附過程，因此就整個吸附體系來說，是屬于放熱過程。 水溫高將不利于熱量的釋放，吸附效果就差。而且水溫越高，水中吸附質(zhì)的分子動能越大，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雜質(zhì)也可能被解吸下來。因此，活性炭吸附宜在水溫不高的情況下進(jìn)行。
活性炭吸附可分成氣相吸附和液相吸附二類，根據(jù)吸附質(zhì)和用途要求不同，宜分別選用較合適的不同規(guī)格品種的活性炭。由于活性炭主要是物理吸附，被吸附物質(zhì)的分子大小越接近于活性炭孔隙大小，就越容易被吸附；被吸附物質(zhì)在水中的溶解度越大，則吸附量越小。與氣相中的雜質(zhì)分子相比，液相 中的雜質(zhì)分子相對比較大（水中有機物分子直徑一般為10-30Å），因此，凈水處理工藝中所用的活性炭，除了主要依靠微孔吸附外，過渡孔也可較好地吸附水中較大分子的雜質(zhì)，凈水炭最好有較多的半徑為10-50Å的過渡孔，過渡孔孔隙體積最好有0.2毫升/克左右。煤質(zhì)活性炭孔隙結(jié)構(gòu)較適合此要求，其中褐煤質(zhì)活性炭比煙煤質(zhì)活性炭形成的孔隙分布情況更合適些。為了操作簡單和便于再生重復(fù)利用，近些年來，凈水工藝中所用活性炭一般趨向于使用顆粒狀活性炭。顆粒炭的粒度宜在8-30目之間，其有效粒徑最好在0.85毫米左右（粒度太大，凈化吸附效果較差，粒度太小，水流流經(jīng)炭床的阻力較大）。由于凈水炭的孔隙要求較大，因而炭的比表面積和碘值并不要求很高。此外，選用凈水炭時要求吸附容量較大，吸附速度較快，機械耐磨強度較高，炭質(zhì)本身不含有害物質(zhì)，價格比較低廉。作為制取純水前予處理用的活性炭，更要求吸附容量大，炭質(zhì)優(yōu)良，并在自來水進(jìn)活性炭過濾器之前，最好再先經(jīng)過一道砂濾器過濾的予處理，其流程如下：
自來水→砂濾器→活性炭過濾器→離子交換設(shè)備系統(tǒng)→高純水
碘值表示活性炭吸附去除水中各種特殊有機物的能力，是衡量活性炭微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)情況，比較各種活性炭活性的傳統(tǒng)評價指標(biāo)。碘分子的直徑較小，為5.32Å，因此碘分子可全部進(jìn)入活性炭孔隙中，而水中有機色度等分子直徑一般均大于10Å，許多雜質(zhì)進(jìn)不了活性炭微孔。活性炭去除水中嗅味的使用壽命遠(yuǎn)比去除水中有機色度 的使用壽命要長，就是這個道理。所以碘值實際上不能確切予示活性炭去除水中有機雜質(zhì)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）來予計凈水炭的有效使用壽命。
衡量不同品種的活性炭吸附量大小，通常是通過活性炭對溶液中被吸附雜質(zhì)（溶質(zhì)）的吸附等溫線資料來相對比較。吸附等溫線，是在一定溶液溫度下活性炭吸附溶液中的溶質(zhì)達(dá)到平衡時，活性炭吸附容量a與溶液中剩留溶質(zhì)濃度c的關(guān)系曲線�？捎酶愄乩＃‵reundlic）吸附等溫式表示：
a=KC1/n
式中：a——達(dá)吸附平衡時活性炭的吸附容量，稱平衡容量，即單位重量活性炭吸附的溶質(zhì)重量。
C——達(dá)吸附平衡時溶液中剩留溶質(zhì)的濃度。
K、n——系數(shù)，其值取決于活性炭的性質(zhì)、溶質(zhì)的性質(zhì)、溶液濃度、溫度和pH等。一般活性炭的吸附等溫線線型如圖1所示。n值通常大于，因此a隨C的加大而加大，但其增量則隨C的增加而減少。這是吸附平衡的概念，即活性炭吸附溶液中溶質(zhì)的能力是該溶質(zhì)的平衡濃度的函數(shù)，平衡濃度越高（如用于工業(yè)廢水的三級處理中） ，吸附容量就越大，活性炭的吸附能力就發(fā)揮得越充分。
由于凈水用活性炭的需用量大，并且活性炭價格較貴，為了降低制水成本，因此應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)法再生重復(fù)使用 活性炭。常用的活性炭再生方法有加熱再生、化學(xué)再生和生物再生法，此外還有高頻脈沖放電法、直流電再生 法、微波再生、遠(yuǎn)紅外線加熱再生法等。加熱再生法是比較廣泛使用的再生方法，主要步驟是：
1 將失效活性炭加熱至105℃以上，使水分蒸發(fā)，炭粒干燥。
2 在貧氧情況下，將活性炭升溫至800℃左右，使大部分被吸附的有機物被熱解和炭化。
3 對活性炭繼續(xù)加溫到90℃左右使之活化。形成用水蒸氣和二氧化碳使炭化的有機物變成氣體從活性炭中逸出 ，另一部分被吸附物則與水蒸氣反應(yīng)達(dá)到氧化分解的再生目的�；瘜W(xué)再生法是根據(jù)被吸附物的性質(zhì)，選用強氧 化劑（臭氧、次氯酸鈉溶液等）摧毀活性炭所吸附的有機物；或選用適當(dāng)?shù)乃�、堿等化學(xué)藥劑浸洗活性炭（可 輔以加溫），使與被吸附物起化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成可溶性鹽類脫離活性炭顆粒而達(dá)到再生目的。如對吸酚失效的活性炭可用氫氧化鈉溶液使生成酚鈉C6H5ONa脫附再生；
C6H5OH+NaOH=C6H5ONa+H2O生物再生法是促使活性炭內(nèi)繁殖需氧菌，以達(dá)到將有機污染物氧化分解、生物降解而從活性炭上分離去除的再生目的。韋伯（Weber）等人對活性炭吸附分解有機物的生物降解過程說明如下（見圖2）：
1 水中較大的有機分子A向活性炭顆粒表面擴散而被吸附；
2 A在緊附活性炭表面存在的嫌氣性生物膜內(nèi)被分解成小分子B；
3 這些小分子有機物B由于太小，在分子熱運動作用下不易被活性炭吸著而脫離開嫌氣性生物膜，擴散到炭粒外側(cè)的好氣性生物膜中；
4 B進(jìn)一步被需氧菌分解成二氧化碳和水，有機雜質(zhì)因之被從水中生物降解去除。
加熱再生法再生效率高，效果比較穩(wěn)定可靠，但加熱再生過程對活性炭強度有所影響，要損耗一部分（5-10% ）活性炭，消耗相當(dāng)數(shù)量的燃料和電能，再生費用較大，而且修建管式轉(zhuǎn)爐、多段爐或沸騰爐等炭化活化裝置的基建費用較大�；瘜W(xué)再生法的使用有一定局限性，再生效率不高，再生效果不夠穩(wěn)定，再生成本較高，優(yōu)點主要是設(shè)備簡單，操作較方 便，節(jié)約能源。生物再生法只適用于容易生物降解的有機污染物，不需要特殊的再生裝置和藥品，不需高溫加熱，再生成本低，但微生物分解速度緩慢，再生歷時較長，再生效率受溫度、水質(zhì)等因素影響，效果不夠穩(wěn)定 。國內(nèi)近年來在有些印染、化工、醫(yī)藥等工業(yè)廢水處理中應(yīng)用活性炭吸附和微生物再生的方法，處理和再生效果較好。