活性碳对水中杂质物的去除作用，是基于活性碳的活性表面和不饱和化学键。
由于活性碳的表面积很大（500~1500m2/g）。加之表面又布满了平均直径为2~3nm的微孔，所以活性碳具有很高的吸附能力。同时，由于活性碳表面上的碳原子在能量上是不等值的，这些原子含有不饱和键，因此具有与外来分子或基团发生化学作用的趋势，对某些有机物有较强的吸附力。
研究证明，活性碳对氯的吸附，不完全是其表面对氯的物理吸附作用，而是由于活性碳表面起了催化作用，促使游离氯的水解，和产生新生态氧的过程加速。其反应式如下：
Cl2+H2O ===HCl+HClO

活性碳
HClO HCI+ [O]
（新生态氧）
这里产生的[O]可以和活性碳中的碳或其他易氧化组分相互反应而得以去除：
C+2[O] CO2
活性碳被广泛应用于生活用水及食品工业、化工、电力等工业用水的净化、脱氯、除油和去臭等。一般在除盐水处理过程中，于阳离子交换器的前面（少数的也有设在后面的）设置活性碳过滤器。由于活性碳的比表面积很大，其表面又布满了平均直径为20~30埃（Å）的微孔，因此，活性碳具有很高的吸附能力。此外，活性碳的表面有大量的羟基和羧基等官能团，可以对各种性质的有机物质进行化学吸附、以及静电引力作用，因此，活性碳还能去除水中对于反渗透膜、阴离子有害的腐殖酸、富维酸、本质素磺酸等有机物质，还可以去除像游余氯一类对阳离子交换剂有害的物质，从而提高了除盐水处理能力。通常，能够去除63%~86%胶体物质；50%左右的铁；以及47%~60%的有机物质