Sebbene il carbone attivo granulato non modificato abbia una ricca struttura dei pori, i suoi gruppi funzionali superficiali sono di un unico tipo e la sua capacità di legarsi con gli ioni di metalli pesanti è relativamente debole. La capacità di assorbimento è spesso limitata dall'adsorbimento fisico. Negli ultimi anni, attraverso tecniche di modificazione superficiale come l’ossidazione chimica, il caricamento di ossidi metallici e l’innesto di ligandi organici, le proprietà chimiche superficiali del carbone attivo granulare possono essere ottimizzate in modo significativo, fornendo un modo efficace per migliorare le prestazioni di adsorbimento dei metalli pesanti.
La modificazione dell'ossidazione chimica è uno dei metodi più comunemente utilizzati. Trattando il carbone attivo granulato con ossidanti come acido nitrico e perossido di idrogeno, è possibile introdurre un gran numero di gruppi funzionali contenenti ossigeno-. Questi gruppi si combinano con gli ioni dei metalli pesanti attraverso l'attrazione elettrostatica e le reazioni di coordinazione. Ad esempio, dopo l'ossidazione con acido nitrico del carbone attivo del guscio di noce di cocco con 5 mol/L, il contenuto carbossilico superficiale è aumentato da 0,5 mmol/g a 2,3 mmol/g. Il processo di adsorbimento è passato dall'essere dominato dall'adsorbimento fisico all'essere dominato dall'adsorbimento chimico e il tempo di equilibrio dell'adsorbimento è stato ridotto del 30%. Inoltre, la modificazione dell'ossidazione può anche aumentare la densità di carica negativa superficiale e, attraverso lo scambio ionico, migliorare l'adsorbimento selettivo dei cationi.
Il caricamento di ossidi metallici modifica il materiale introducendo siti metallici attivi con elevata affinità sulla superficie del carbone attivo granulato, costruendo così un sistema di adsorbimento sinergico "struttura porosa - sito metallico". Gli studi hanno dimostrato che i gruppi superficiali del carbone attivo granulare magnetico caricato possono formare con esso complessi interni, con una capacità di adsorbimento di 126 mg/g, ovvero 4,2 volte quella del campione non modificato. Inoltre, può essere rapidamente separato e recuperato sotto un campo magnetico esterno. Allo stesso modo, la capacità di adsorbimento del carbone attivo granulare caricato viene aumentata a 98 mg/g. Non solo fornisce siti redox ma migliora anche l'effetto di adsorbimento chimico attraverso i gruppi ossidrile.
L'innesto di ligandi organici per la modifica comporta il fissaggio di molecole organiche con specifiche funzioni chelanti sulla superficie del carbone attivo granulare attraverso legami covalenti, ottenendo così un adsorbimento mirato di ioni di metalli pesanti. Ad esempio, il carbone attivo granulare innestato con disulfiramato ha gruppi funzionali solforati sulla sua superficie che possono formare chelati stabili con esso, con una capacità di adsorbimento fino a 210 mg/g e mantenendo un'efficienza di adsorbimento stabile entro l'intervallo. Ciò risolve il problema di un calo significativo della capacità di adsorbimento dei materiali adsorbenti tradizionali in condizioni di forte acidità. Inoltre, l'effetto di ingombro sterico spaziale dei ligandi organici può ridurre il legame non-specifico nei siti di adsorbimento, migliorando la selettività per i metalli pesanti bersaglio.
Tuttavia, anche la modificazione della superficie deve affrontare delle sfide: un’ossidazione eccessiva può causare il collasso della struttura dei pori, con conseguente diminuzione dell’area superficiale specifica; un carico eccessivo di ossidi metallici può portare ad agglomerazione, riducendo i siti attivi effettivi; la velocità di innesto dei ligandi organici è limitata dal numero di gruppi idrossilici superficiali e potrebbe anche dissolversi durante l'uso a lungo termine. La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sull'ottimizzazione dei parametri del processo di modifica, sullo sviluppo di strategie di "modificazione sinergica multifunzionale" e sulla combinazione dei calcoli della teoria del funzionale della densità per rivelare il meccanismo di interazione tra gruppi funzionali superficiali e ioni di metalli pesanti, fornendo supporto teorico per la progettazione di materiali efficienti per l'adsorbimento dei metalli pesanti.