Embora o carvão ativado granulado não modificado tenha uma estrutura de poros rica, seus grupos funcionais de superfície são de um único tipo e sua capacidade de ligação com íons de metais pesados é relativamente fraca. A capacidade de adsorção é frequentemente limitada pela adsorção física. Nos últimos anos, através de técnicas de modificação de superfície, como oxidação química, carregamento de óxidos metálicos e enxerto de ligantes orgânicos, as propriedades químicas da superfície do carvão ativado granular podem ser significativamente otimizadas, fornecendo uma maneira eficaz de melhorar o desempenho de adsorção de metais pesados.
A modificação da oxidação química é um dos métodos mais comumente usados. Ao tratar o carvão ativado granulado com oxidantes como ácido nítrico e peróxido de hidrogênio, um grande número de grupos funcionais-contendo oxigênio pode ser introduzido. Esses grupos combinam-se com íons de metais pesados por meio de atração eletrostática e reações de coordenação. Por exemplo, após oxidação de ácido nítrico a 5 mol/L de carvão ativado de casca de coco, o teor de carboxila na superfície aumentou de 0,5 mmol/g para 2,3 mmol/g. O processo de adsorção passou de dominado pela adsorção física para dominado pela adsorção química, e o tempo de equilíbrio da adsorção foi reduzido em 30%. Além disso, a modificação da oxidação também pode aumentar a densidade de carga negativa da superfície e, através da troca iônica, aumentar a adsorção seletiva de cátions.
O carregamento de óxidos metálicos modifica o material introduzindo sítios ativos metálicos com alta afinidade na superfície do carvão ativado granulado, construindo assim um sistema de adsorção sinérgica de "estrutura porosa - sítio metálico". Estudos demonstraram que os grupos superficiais do carvão ativado granular magnético carregado podem formar complexos internos com ele, com capacidade de adsorção de 126 mg/g, que é 4,2 vezes maior que a da amostra não modificada. Além disso, pode ser rapidamente separado e recuperado sob um campo magnético externo. Da mesma forma, a capacidade de adsorção do carvão ativado granular carregado é aumentada para 98 mg/g. Ele não apenas fornece locais redox, mas também aumenta o efeito de adsorção química através de grupos hidroxila.
O enxerto de ligantes orgânicos para modificação envolve a fixação de moléculas orgânicas com funções quelantes específicas na superfície do carvão ativado granular por meio de ligações covalentes, alcançando assim a adsorção direcionada de íons de metais pesados. Por exemplo, o carvão ativado granular enxertado com dissulfiramato possui grupos funcionais de enxofre em sua superfície que podem formar quelatos estáveis com ele, com capacidade de adsorção de até 210 mg/g, e mantendo eficiência de adsorção estável dentro da faixa. Isto resolve o problema de uma queda significativa na capacidade de adsorção de materiais de adsorção tradicionais sob condições fortemente ácidas. Além disso, o efeito de impedimento estérico espacial dos ligantes orgânicos pode reduzir a ligação não específica nos locais de adsorção, melhorando a seletividade para os metais pesados alvo.
No entanto, a modificação da superfície também enfrenta desafios: a oxidação excessiva pode causar o colapso da estrutura dos poros, resultando numa diminuição da área superficial específica; a carga excessiva de óxidos metálicos pode levar à aglomeração, reduzindo os sítios ativos efetivos; a taxa de enxerto de ligantes orgânicos é limitada pelo número de grupos hidroxila de superfície e também pode se dissolver durante o uso-de longo prazo. Pesquisas futuras devem se concentrar na otimização dos parâmetros do processo de modificação, no desenvolvimento de estratégias de "modificação sinérgica multifuncional" e na combinação de cálculos da teoria do funcional da densidade para revelar o mecanismo de interação entre grupos funcionais de superfície e íons de metais pesados, fornecendo suporte teórico para o projeto de materiais eficientes de adsorção de metais pesados.