Хотя немодифицированный гранулированный активированный уголь имеет богатую пористую структуру, его поверхностные функциональные группы однотипны, а способность связывания ионов тяжелых металлов относительно слаба. Адсорбционная способность часто ограничивается физической адсорбцией. В последние годы с помощью методов модификации поверхности, таких как химическое окисление, загрузка оксидов металлов и прививка органических лигандов, химические свойства поверхности гранулированного активированного угля могут быть значительно оптимизированы, обеспечивая эффективный способ улучшения характеристик адсорбции тяжелых металлов.
Химическая окислительная модификация является одним из наиболее часто используемых методов. Обрабатывая гранулированный активированный уголь окислителями, такими как азотная кислота и перекись водорода, можно ввести большое количество кислородсодержащих функциональных групп. Эти группы соединяются с ионами тяжелых металлов посредством электростатического притяжения и реакций координации. Например, после окисления активированным углем из скорлупы кокосового ореха азотной кислотой в концентрации 5 моль/л содержание карбоксильных групп на поверхности увеличилось с 0,5 ммоль/г до 2,3 ммоль/г. В процессе адсорбции преобладала химическая адсорбция, а время адсорбционного равновесия сократилось на 30%. Более того, окислительная модификация также может увеличить плотность отрицательного заряда поверхности и посредством ионного обмена улучшить селективную адсорбцию катионов.
Загрузка оксидов металлов модифицирует материал путем введения активных центров металла с высоким сродством на поверхность гранулированного активированного угля, тем самым создавая синергетическую адсорбционную систему «пористая структура - металлический центр». Исследования показали, что поверхностные группы загруженного магнитного гранулированного активированного угля способны образовывать с ним внутренние комплексы с адсорбционной способностью 126 мг/г, что в 4,2 раза выше, чем у немодифицированного образца. Более того, его можно быстро отделить и восстановить под действием внешнего магнитного поля. Аналогичным образом адсорбционная емкость загруженного гранулированного активированного угля увеличивается до 98 мг/г. Он не только обеспечивает окислительно-восстановительные центры, но также усиливает эффект химической адсорбции за счет гидроксильных групп.
Прививка органических лигандов для модификации включает фиксацию органических молекул со специфическими хелатирующими функциями на поверхности гранулированного активированного угля посредством ковалентных связей, тем самым достигая целенаправленной адсорбции ионов тяжелых металлов. Например, гранулированный активированный уголь, привитый дисульфиматом, имеет на своей поверхности функциональные группы серы, которые могут образовывать с ним стабильные хелаты, с адсорбционной способностью до 210 мг/г и сохранением стабильной эффективности адсорбции в заданном диапазоне. Это решает проблему значительного падения адсорбционной способности традиционных адсорбционных материалов в сильнокислых условиях. Более того, эффект пространственных стерических затруднений органических лигандов может уменьшить не-специфическое связывание в местах адсорбции, улучшая селективность в отношении целевых тяжелых металлов.
Однако модификация поверхности также сталкивается с проблемами: чрезмерное окисление может вызвать разрушение пористой структуры, что приведет к уменьшению удельной площади поверхности; чрезмерная загрузка оксидов металлов может привести к агломерации, уменьшению эффективных активных центров; скорость прививки органических лигандов ограничена количеством поверхностных гидроксильных групп, и они также могут растворяться при длительном-временном использовании. Будущие исследования должны быть сосредоточены на оптимизации параметров процесса модификации, разработке стратегий «многофункциональной синергетической модификации» и объединении расчетов теории функционала плотности, чтобы выявить механизм взаимодействия между поверхностными функциональными группами и ионами тяжелых металлов, обеспечивая теоретическую поддержку для разработки эффективных материалов, адсорбирующих тяжелые металлы.