活性炭过滤器的过滤原理主要基于活性炭的多孔结构特性和吸附作用，通过物理吸附、化学吸附和离子交换等机制，去除水中的溶解性污染物。以下是具体原理及关键细节：

• 微观结构基础：
  活性炭由木质、煤质或果壳（如椰壳）等有机原料经高温碳化和活化处理制成，形成丰富的微孔、中孔和大孔结构。

• 微孔（孔径＜2 nm）：占比高达 90% 以上，比表面积巨大（可达 500–1500 m²/g），是物理吸附的主要场所。

• 中孔（孔径 2–50 nm）：辅助吸附较大分子，并作为污染物扩散至微孔的通道。

• 大孔（孔径＞50 nm）：主要起传输通道作用，对吸附贡献较小。

• 吸附机制：
  污染物分子（如有机物、余氯、色素）通过 ** 分子间作用力（范德华力）** 被吸附在活性炭孔隙表面。由于孔隙尺寸与污染物分子大小匹配（类似 “分子筛” 效应），小分子优先被微孔捕获，大分子则吸附于中孔。

• 特点：

• 非特异性吸附：可吸附多种污染物（如苯类、酚类、油类）。

• 可逆过程：低温下吸附效率更高，高温时可能发生脱附（再生原理基础）。

• 作用机制：
  活性炭表面存在官能团（如羟基、羧基、醛基等），可与污染物发生化学反应，形成化学键（如共价键、离子键），实现选择性吸附。

• 例：重金属离子（如 Pb²⁺、Hg²⁺）可通过官能团的离子交换或络合反应被固定。

• 例：余氯（ClO⁻）与活性炭表面的碳发生氧化还原反应，生成无害的 Cl⁻。

• 特点：

• 特异性强：仅针对能与官能团反应的污染物。

• 不可逆过程：吸附后难以通过简单物理方法脱附，需化学再生或更换滤料。

部分改性活性炭（如负载金属氧化物的活性炭）可通过离子交换作用去除特定离子型污染物（如水中的硝酸盐、氟化物）。

• 例：载银活性炭通过银离子（Ag⁺）与水中细菌的代谢酶结合，兼具吸附和抑菌功能。

• 按材质分：

• 椰壳活性炭：微孔发达，适合吸附小分子有机物（如饮用水脱余氯）。

• 煤质活性炭：中孔较多，适合吸附大分子污染物（如工业废水中的染料）。

• 按形态分：

• 颗粒活性炭（GAC）：用于固定床过滤器，可反复反冲洗和再生。

• 粉末活性炭（PAC）：一次性投加至水中（如应急处理），吸附后随沉淀去除。

• 污染物浓度：
  浓度越高，活性炭饱和速度越快，需缩短更换周期或提高滤层厚度。

• pH 值：

• 酸性条件下，活性炭对有机物吸附能力更强；

• 碱性条件下，部分官能团解离，可能影响重金属吸附效果。

• 温度：
  低温有利于物理吸附（分子运动慢，更易被捕获），高温则可能加速脱附。

• 过滤流速：
  流速过高会导致污染物与活性炭接触时间不足，吸附效率下降（通常控制在 5–10 m/h）。

• 滤层厚度：
  滤层越厚，污染物穿透路径越长，吸附越充分（工业应用中滤层厚度常为 1–3 m）。

• 反冲洗频率：
  若进水浊度高，需频繁反冲洗防止孔隙堵塞，但过度反冲会导致活性炭破碎流失。

• 目标：去除自来水厂常规工艺残留的余氯、消毒副产物（如三氯甲烷）、农药残留。

• 原理：余氯通过化学吸附被还原为 Cl⁻；有机物通过物理吸附被截留，改善口感和气味。

• 目标：脱除废水中的色度、COD（如染料、酚类化合物）、重金属离子。

• 原理：大分子染料通过中孔吸附；重金属通过官能团的离子交换或络合反应被去除。

• 目标：吸附空气中的VOCs（挥发性有机物）、异味气体（如甲醛、硫化氢）。

• 原理：利用活性炭的多孔结构捕获气态分子，与水处理原理类似，但需考虑气流湿度和温度影响。

通过以上原理可知，活性炭过滤器的核心优势在于对化学污染物的深度净化能力，但其效果高度依赖滤料性能和运行条件，实际应用中常需与石英砂过滤等预处理工艺结合，以最大化吸附效率。