活性炭有很多不同形狀和不同大小的細孔，孔壁的總面積即為表面積，每克活性炭的表面積高達700-1600m2，由于這樣大的表面積，使活性炭具有較強的吸附能力。活性炭的吸附特性不僅受細孔構造的影響，而且受表面化學性質的影響。活性炭除碳元素外，還含有兩種物質，一種是以化學鍵結合的元素，如氧和氫;另一種是灰分，其灰分隨活性炭種類不同而異，椰殼炭灰分小于3%，而煤質活性炭灰分高達20%-30%左右，活性炭中含硫是比較低的，質量好的活性炭中不應檢出硫化物。

氫和氧的存在對活性炭的性質有很大的影響，因為這些元素與碳以化學鍵結合，而使活性炭的表面上有了各種有機官能團形式的氧化物以碳氫化合物，這些氧化物和碳氫化合物使活性炭與吸附質分子發生化學作用，顯示出活性炭在吸附過程中的選擇吸附特性。

活性炭的吸附作用有三種類型。

(1)活性炭物理特性 分子力產生的吸附稱為物理吸附，它的特點是被吸附的分子不是附著在吸附劑表面固定點上，而稍能在界面上作自由移動。它是一個放熱過程，吸附熱較小，一般為21-41.8kJ/mol，不需要活化能，在低溫條件下即可進行;為可逆過程，即在吸附的同時，被吸附的分子由于熱運動還會離開固體表面，這種現象稱為解吸。物理吸附可以形成單分子層吸附又可形成多分子層吸附，由于分子力的普遍存在，一種吸附劑可以吸附多種物質，但由于吸附物質不同，吸附量也有所差別，這種吸附現象與吸附劑的表面積、細孔分布有著密切關系，也和吸附劑表面張力有關。活性炭對芳香族化合物吸附優于對非芳香族化合物的吸附，如對苯的吸附優于對環已烷的吸附。對不含有磷、碳、氰、氟等無機元素或基團的有機化合物的吸附總是優于含有這些無機元素或基團的有機化合物。如活性炭對苯的吸附要高于對吡啶(氮苯)的吸附。對帶有支鏈烴類的吸附，優于對直鏈烴類的吸附。對分子量大的沸點高的有機化合物的吸附總是高于分子量小的沸點低的有機化合物有吸附等。

(2)活性炭化學吸附 活性炭在制造過程中炭表面能生成一些官能團，如羧基、羥基、羰基等，所以活性炭也能進行化學吸附。吸附劑和吸附質之間靠化學鍵的作用，發生化學反應，使吸附劑與吸附質之間牢固地聯系在一起，這種連接過程是放熱過程。由于化學反應需要大量的活化能，一般需要在較高的溫度下進行，吸收熱較大，在41.8-418kJ/mol范圍內，為選擇性吸附。一種吸附劑只能對某種或特定幾種物質有吸附作用，因此化學吸附只能是單分子層吸附，吸附是較穩定的，不易解吸，這種吸附與吸附劑和吸附質的表面化學性質有關。活性炭在制造過程中，由于制造工藝不一樣，活性炭表面有堿性氧化物的易吸附溶液中酸性物質，表面有酸性氧化物則易吸附溶液中堿性物質。

(3)活性炭交換吸附 一種物質的離子由于靜電引力聚集在吸附劑表面的帶電點上，在吸附過程中，伴隨著等量離子的交換，離子的電荷是交換吸附的決定因素。被吸附的物質往往發生了化學變化，改變了原來被吸附物質的化學性質，這種吸附也是不可逆的。因此仍屬于化學吸附，活性炭經再生也很難恢復到原來的性質。

在水處理過程中，活性炭吸附過程多為幾種吸附現象的綜合作用。