Obwohl unmodifizierte granulierte Aktivkohle eine reiche Porenstruktur aufweist, sind ihre Oberflächenfunktionsgruppen von einem einzigen Typ und ihre Bindungsfähigkeit mit Schwermetallionen ist relativ schwach. Die Adsorptionskapazität wird häufig durch physikalische Adsorption begrenzt. In den letzten Jahren konnten durch Oberflächenmodifizierungstechniken wie chemische Oxidation, Beladung mit Metalloxiden und Pfropfen organischer Liganden die chemischen Oberflächeneigenschaften von körniger Aktivkohle erheblich optimiert werden, was eine wirksame Möglichkeit zur Verbesserung der Adsorptionsleistung für Schwermetalle darstellt.
Die chemische Oxidationsmodifikation ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden. Durch die Behandlung von granulierter Aktivkohle mit Oxidationsmitteln wie Salpetersäure und Wasserstoffperoxid kann eine große Anzahl sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen eingeführt werden. Diese Gruppen verbinden sich mit Schwermetallionen durch elektrostatische Anziehungs- und Koordinationsreaktionen. Beispielsweise stieg nach der Oxidation von Kokosnussschalen-Aktivkohle mit 5 mol/l Salpetersäure der Oberflächen-Carboxylgehalt von 0,5 mmol/g auf 2,3 mmol/g. Der Adsorptionsprozess verlagerte sich von einer vorherrschenden physikalischen Adsorption hin zu einer vorherrschenden chemischen Adsorption, und die Adsorptionsgleichgewichtszeit wurde um 30 % verkürzt. Darüber hinaus kann die Oxidationsmodifikation auch die negative Ladungsdichte der Oberfläche erhöhen und durch Ionenaustausch die selektive Adsorption von Kationen verbessern.
Durch die Beladung mit Metalloxiden wird das Material durch die Einführung metallaktiver Stellen mit hoher Affinität auf der Oberfläche der granulierten Aktivkohle modifiziert, wodurch ein synergistisches Adsorptionssystem mit „poröser Struktur - Metallstellen“ aufgebaut wird. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Oberflächengruppen der beladenen magnetischen körnigen Aktivkohle mit dieser innere Komplexe bilden können, mit einer Adsorptionskapazität von 126 mg/g, was dem 4,2-fachen der unmodifizierten Probe entspricht. Darüber hinaus kann es unter einem externen Magnetfeld schnell abgetrennt und wiederhergestellt werden. Ebenso wird die Adsorptionskapazität der beladenen körnigen Aktivkohle auf 98 mg/g erhöht. Es stellt nicht nur Redoxstellen bereit, sondern verstärkt auch den chemischen Adsorptionseffekt durch Hydroxylgruppen.
Beim Pfropfen organischer Liganden zur Modifizierung werden organische Moleküle mit spezifischen Chelatfunktionen durch kovalente Bindungen auf der Oberfläche von Aktivkohlegranulat fixiert und so eine gezielte Adsorption von Schwermetallionen erreicht. Mit Disulfiramat gepfropfte körnige Aktivkohle weist beispielsweise auf ihrer Oberfläche funktionelle Schwefelgruppen auf, die stabile Chelate mit einer Adsorptionskapazität von bis zu 210 mg/g bilden können und innerhalb dieses Bereichs eine stabile Adsorptionseffizienz aufrechterhalten. Dies löst das Problem eines erheblichen Abfalls der Adsorptionskapazität herkömmlicher Adsorptionsmaterialien unter stark sauren Bedingungen. Darüber hinaus kann der räumliche sterische Hinderungseffekt organischer Liganden die unspezifische Bindung an den Adsorptionsstellen verringern und so die Selektivität für die Zielschwermetalle verbessern.
Allerdings birgt die Oberflächenmodifikation auch Herausforderungen: Übermäßige Oxidation kann zum Zusammenbruch der Porenstruktur führen, was zu einer Verringerung der spezifischen Oberfläche führt; Eine übermäßige Beladung mit Metalloxiden kann zur Agglomeration führen und die effektiven aktiven Zentren verringern. Die Pfropfgeschwindigkeit organischer Liganden wird durch die Anzahl der Oberflächenhydroxylgruppen begrenzt und sie können sich auch bei langfristiger Verwendung auflösen. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Optimierung der Modifikationsprozessparameter, die Entwicklung von Strategien zur „multifunktionalen synergistischen Modifikation“ und die Kombination von Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie konzentrieren, um den Wechselwirkungsmechanismus zwischen funktionellen Oberflächengruppen und Schwermetallionen aufzudecken und theoretische Unterstützung für das Design effizienter Schwermetalladsorptionsmaterialien bereitzustellen.