Hấp phụ trong môi trường nước là quá trình hấp phụ hỗn hợp tức là trong hệ chứa nhiều chất bị hấp phụ, hay ngay cả khi trong môi trường đó chỉ chứa duy nhất một chất tan, do sự có mặt của nước. Khi đó, xảy ra ít nhất ba cặp tương tác là chất hấp phụ - chất bị hấp phụ, chất hấp phụ - dung môi nước, chất bị hấp phụ - dung môi nước. Có thể coi đây là một sự cạnh tranh tương tác của lực các phân tử, lực nào tương tác mạnh hơn sẽ đóng vai trò quyết định. Nước là chất phân cực mạnh. Nếu chất hấp phụ và chất bị hấp phụ không phân cực thì hệ có lực tương tác cao do chúng trái dấu nên đẩy nhau và lượng chất bị hấp phụ ít nên bị chèn ép.
Hấp phụ trong môi trường nước tuân theo cơ chế hấp phụ cạnh tranh và chọn lọc: cặp chất hấp phụ - bị hấp phụ có tương tác lớn, độ bền cao (năng lượng thấp) chiếm ưu thế về thành phần so với cặp có tương tác yếu. Do ưu thế về số lượng, khi vừa tiếp xúc với chất hấp phụ, các phân tử nước lập tức chiếm chỗ hầu như toàn bộ diện tích bề mặt chất rắn, các chất bị hấp phụ chỉ có thể tìm được chỗ cho nó, khi tương tác giữa nó với chất hấp phụ đủ mạnh để đẩy các phân tử nước ra khỏi vị trí mà nó cần.
Trong trường hợp tổng quát quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:
+ Di chuyển chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt chất hấp phụ (khuếch tán ngoài).
+ Thực hiện quá trình hấp phụ.
+ Di chuyển chất tan bên trong hay hấp phụ.
Quá trình hấp phụ diễn ra rất nhanh, giai đoạn quyết định tốc độ quá trình có thể là khuếch tán ngoài hoặc khuếch tán trong. Trong vùng khuếch tán ngoài tốc độ
hấp phụ phụ thuộc vào vận tốc dòng chất lỏng. Trong khi vùng khuyếch tán trong, cường độ chuyển khối phụ thuộc vào loại, kích thước mao quản của chất hấp phụ, hình dạng và kích thước hạt của phân tử chất bị hấp phụ, kích thước phân tử của chất bị hấp phụ, hệ số dẫn khối…