ammonium salts adsorption on kaolinite

ammonium salts adsorption on kaolinite

Accepted Manuscript Title: Experimental investigation and DFT calculation of different amine/ammonium salts adsorption on kaolinite Authors: Jun Chen,...

1MB Sizes 2 Downloads 47 Views

Accepted Manuscript Title: Experimental investigation and DFT calculation of different amine/ammonium salts adsorption on kaolinite Authors: Jun Chen, Fan-fei Min, Lingyun Liu, Chunfu Liu, Fangqin Lu PII: DOI: Reference:

S0169-4332(17)31222-9 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.apsusc.2017.04.213 APSUSC 35894

To appear in:

APSUSC

Received date: Revised date: Accepted date:

12-1-2017 17-4-2017 22-4-2017

Please cite this article as: Jun Chen, Fan-fei Min, Lingyun Liu, Chunfu Liu, Fangqin Lu, Experimental investigation and DFT calculation of different amine/ammonium salts adsorption on kaolinite, Applied Surface Sciencehttp://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.04.213 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Experimental investigation and DFT calculation of different  amine/ammonium salts adsorption on kaolinite  CHEN Jun,MIN Fan‐fei*,LIU Lingyun,LIU Chunfu,LU Fangqin 

Department of Materials Science and Engineering, Anhui University of Science and  Technology, Huainan 232001, China  * Correspongding author: Tel: +86‐554‐6668885, Fax: +86‐554‐6668885  E‐mail address: [email protected]  Graphical Abstract 

  Highlights 

   

We investigate different amine/ammonium salts adsorption on kaolinite.  We calculate different amine/ammonium salts adsorption on kaolinite with DFT.  Different amine/ammonium salts can promote the settlement of kaolinite particles.  The adsorption mechanism is hydrogen‐bond interaction and electrostatic attraction. 

Abstract  The adsorption of four different amine/ammonium salts of DDA (Dodecyl amine), MDA  (N‐methyldodecyl amine), DMDA (N,N‐dimethyldodecyl amine) and DTAC (Dodecyl trimethyl  ammonium chloride) on kaolinite particles was investigated in the study through the  measurement of contact angles, zeta potentials, aggregation observation, adsorption and  sedimentation. The results show that different amine/ammonium salts can adsorb on the  1

kaolinite surface to enhance the hydrophobicity and reduce the electronegativity of kaolinite  particle surface, and thus induce a strong hydrophobic aggregation of kaolinite particles  which promotes the settlement of kaolinite. To explore the adsorption mechanism of these  four amine/ammonium salts on kaolinite surfaces, the adsorptions of DDA+, MDA+, DMDA+  and DTAC+ on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface are calculated with DFT (Density  functional theory). The DFT calculation results indicate that different amine/ammonium  cations can strongly adsorbed on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface by forming N‐H…O  strong hydrogen bonds or C‐H…O weak hydrogen bonds, and there are strongly electrostatic  attractions between different amine/ammonium cations and kaolinite surfaces. The main  adsorption mechanism of amine/ammonium cations on kaolinite is hydrogen‐bond  interaction and electrostatic attraction.  Keywords: kaolinite;hydrophobic aggregation;amine/ammonium salts;Density  functional theory;(001) surfaces;adsorption mechanism 

1 Introduction  With the high mechanization of coal mining and the deterioration of raw coal, lots of  high muddied coal slurry water is produced with high clay mineral content in coal preparation  [1], and these clay minerals are mainly composed of kaolinite, montmorillonite and illite,  which usually exist at less than 2 μm in aqueous solution [2]. Moreover, difficult separation of  the colloidal clay minerals from recycled water in coal washing plants can cause a high‐solid  concentration in the recycle water (the washing water is need to recycle in coal preparation  plant) and then a detrimental effect on the follow‐up process [3,4]. Actually the kaolinite is  the main component of these clay minerals in coal slurry water, and it can easily turn into  ultra‐fine particles during coal preparation process and its surface electronegativity can stably  disperse in coal slurry water [5], which seriously increases the difficulty of coal slurry water  sedimentation.  Hydrophobic aggregation is widely used in kaolinite flotation [6‐8], and it is also an  effective process for kaolinite sedimentation [9,10]. Cui, et al. [11] indicated that the solution  and electrical properties had an important impact on the dispersion and aggregation of  2

kaolinite particles, and one of the important premises to achieve the effective aggregation of  kaolinite is to adjust its surface properties. For the hydrophilic kaolinite particles, hydrophobic  aggregation could be realized through rendering surface hydrophobicity by the adsorption of  surfactants on the surfaces so as to reduce hydration repulsive force and enhance  hydrophobic attraction [12,13], which can promote the effective settlement of fine kaolinite  particles in aqueous solution. Cationic surfactants such as alkyl amine [14] and quaternary  ammonium salts [15,16] were investigated and proved to be effective surfactants for the  hydrophobic aggregation of kaolinite.  However, although there are lots of researches on hydrophobic aggregation behavior of  kaolinite particles, few of them are about its micro mechanism of kaolinite surfactants [14‐ 17]. Therefore, it is of great significance to study the adsorption mechanism of the surfactants  on kaolinite surface. Computer simulations have been widely used for the study of the  surfactant adsorption on a solid surface recently [18‐21]. The quantum chemical approach is  more used to understand the atomic structure of adsorbed surfactant and its electronic  structure when the molecular adsorption on clay surfaces is studied, and DFT method find its  extensive application in this fields recently [24‐28].  Adsorptions of four different amine/ammonium salts, DDA, MDA, DMDA and DTAC on  kaolinite particles, was investigated in this paper through the experimental measurement of  contact angles, zetapotentials, aggregation observation, adsorption and sedimentation. The  adsorption mechanism of different amine/ammonium cations on kaolinite (001) surfaces was  investigated by DFT calculation, and the adsorption energies and geometries, band  populations, electron density difference and Mulliken atomic charges, are presented and  discussed in the paper. 

2 Materials and methods  2.1 Materials  Kaolinite samples used in this study, originally collected from the Huaibei Jinyan Kaolinite  Company (China), were first purified by eliminating the organic matters in a conditioning tank  with 30% H2O2/dry kaolinite powder lasting for 24 h. Next the slurry was kept in a water bath  3

at 60  to remove the remnant H2O2. Then, the impurity ions in slurry were removed by  washing with a large amount of deionized water. And finally it was classified with a 200 mesh  screen to obtain the size fraction at ‐75 μm.  The cumulative particle size distribution of the kaolinite sample, as shown in Fig. 1, was  determined with a Laser particle size analyzer (SALD‐7101, Japan), the d50 (average particle  size) of the kaolinite sample was 2.004 μm. The specific surface area of the kaolinite sample  was 8.04 m2/g, which was obtained by using a V‐Sorb 2800P gas adsorption analyzer (China)  based on the BET method.  Fig. 1. Particle size distribution of the kaolinite sample.  Fig. 2. XRD pattern of the kaolinite sample.  The mineral components were analyzed by an X‐ray diffraction meter (XRD‐6000, Japan)  with Cu Κα radiation. Figure 2 illustrates the X‐ray diffraction pattern of the sample. And there  are three types of minerals in this sample, kaolinite‐1 MD, kaolinite‐1A and Dickite‐2 M1  which belongs to kaolinite family, indicating that the kaolinite sample is a high‐purity one.  DDA (Dodecylamine, CH3(CH2)11NH2), MDA (N‐methyldodecylamine, CH3(CH2)11NH‐CH3),  DMDA (N,N‐dimethyldodecylamine, CH3(CH2)11NH‐(CH3)2) and DTAC (Dodecyl trimethyl  ammonium chloride, CH3(CH2)11NH‐(CH3)3Cl) used in this study were from Shanghai  Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, China. The pH value of aqueous solutions was adjusted  by adding hydrochloric or sodium hydroxide solutions. All of electrolytes are analytical  reagents. The water used in this study was first distilled and then passed through resin beds  and a filter (0.2 μm), and the residual conductivity of the water was less than 1 μs/cm. 

2.2 Experimental methods  2.2.1 Measurement of zeta potential and contact angle  Zeta potentials were measured by a Zetaprobe zetameter (USA). Aqueous kaolinite  suspension with 1 wt.% of solid concentration was first conditioned at 500 r/min for 10 min,  while a given dosage of different amine/ammonium salt (DDA, MDA, DMDA or DTAC) was  added. The pH was adjusted to the predetermined value by 0.1 mol/L NaOH or HCl. And then  4

the kaolinite suspension was immediately stirred at 750 r/min for 10 min. After that, the  measurement started while the conditioning continued. The temperature throughout the  measurement was kept at 25℃. Finally the suspension was poured into the sample pool to  measure its zeta potential. The arithmetic average of 3 measurements was regarded as the  present result.  A contact angle meter (C20, America) was used to measure the contact angle of water on  the kaolinite particles at 25℃. About 0.5 g dry kaolinite particles in different conditions were  pressed into a thick slice of 2 mm at 30 MPa. The contact angle of surface was the average of  6 measurements on two different locations of the surface.  2.2.2 Measurement of adsorption quantity  The amount of different amine/ammonium salt adsorption on kaolinite particles surface  was determined by a UV‐2000 Ultraviolet Spectrophotometry in this study. At first, the  absorption spectroscopies of different amine/ammonium salts at a series of given  concentrations were determined to obtain the calibration curve. Next, 2 g kaolinite sample  was mixed with a given concentration of different amine/ammonium salts solution into 200  mL at a given pH on an electronic blender for 10 min at 750 r/min. Then, the suspension was  kept still for 3 hours in a 250 ml measuring cylinder, and the supernatant solution was put in  the centrifuge running at 3000 r/min for 30 min. And then the supernatant solution was  analyzed for the final reagent concentration, based on the calibration curve. The adsorption  quantity of different amine/ammonium salts on the kaolinite was decided by the following  expression:                          q 

V (C0  C ) ,                               (1)  mAsp

where q is the adsorption quantity, μmoL/m2; C0 and C are the initial and supernatant  concentrations, respectively, μmoL/L; V is the solution volume, L; m is the weight of the  particles, g; and Asp is the specific surface area of the kaolinite sample, m2/g.  2.2.3 Sedimentation test and aggregation observation 

 

5

In sedimentation test, 2 g kaolinite sample was mixed with different amine/ammonium  salt solution with a given concentration into 200 mL at a given pH on an electronic blender for  10 min at 750 r/min. Then the resultant suspension precipitated in a 200 mL cylinder. After  precipitating for 5 min, the dried mass of solids was obtained after the bottom 100 mL  suspension was leached. The results of the sedimentation tests were reported in terms of  sedimentation efficiency (Es), which is expressed as:                        Es 

m0  100% ,                                (2)  m

where m0 is the dried mass of solids in the bottom 100 mL suspension; m is the total mass of  the sample.  A HSA10 Monocular Zoom Microscope (China) was used to observe the microstructure of  aggregations. Aqueous kaolinite suspension with 1.0 wt.% of solid concentration with a  certain dosage of different amine/ammonium salt was immediately mixed by electronic  stirrer at 750 r/min for 10 min. And the microstructure of the aggregations was observed on a  glass slide by using the HSA10 Monocular Zoom Microscope when the hydrophobic  aggregation became stable. 

2.3 DFT calculation  2.3.1 Computational method  DFT (Density functional theory) calculations of different amine/ammonium cations on  kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface were implemented in the CASTEP program  (Material Studio version 8.0 software, Accerly Corporation) [29,30]. The Perdew, Burke, and  Ernzerhof (PBE) [31] functional with generalized gradient approximation (GGA) has been used  throughout the study, and the plane‐wave cutoff here was 400 eV. The interactions between  valence electrons and the ionic core were represented with ultra‐soft pseudopotentials [32].  The atomic positions were optimized by Broyden‐Fletcher‐Goldfarb‐Shanno (BFGS) algorithm  [33]. Tkatchenko‐Scheffler van der Waals correction method [34,35] was used to correct  density functional calculations for the missing van der Waals interactions. The convergence  criteria for geometry optimization was 2.0×10−4 nm for maximum displacement, 0.05 eV/Å for  6

maximum force, 0.1 GPa for maximum stress, 2.0×10−5 eV/atom for energy and 2.0×10−6  eV/atom for self‐consistent field tolerance [36].  Owing to layered structure kaolinite microparticles exist in a form of hexagonal plates  with dominant [37], almost perfectly cleavaged (001) basal surfaces [38], the cleaved (001)  plane of kaolinite is formed with two sides of a hydroxylated surface and a siloxane one (as  shown in Fig. 3). The periodic supercell (2×1×1) was used with a vacuum thickness of 40 Å to  prevent the interaction between the adjacent level. Al‐terminated (001) surface and  Siterminated ( 00 1 ) surface of the platelet were investigated in the study. The  pseudopotentials were preliminarily generated for the atoms Si 3s23p2, Al 3s23p, O 2s22p4 and  H1s. The Brillouin zone was sampled using 2×2×1 Monkhorst‐Pack point grid [39] for the unit  cell and the cut‐off energy was 400 eV according to a series of convergence test. The  optimization of the amine/ammonium cations and water molecule was calculated in a  20×20×30 Å3 cubic box with Brillouin zone sampling restricted to Gamma point, and the  optimization parameters were the same for primitive unit cell optimization.  Fig. 3. The layer structure of kaolinite.  The optimized results of the bulk of kaolinite are shown in Table 1. The error is within  2.00% by contrasting the results with the simulation optimization and experiment test values  of other researchers, indicating that the calculation results are reasonable. And Figure 4  shows the optimized geometry for configurations of different amine/ammonium cations.  Chen, et al. [40] indicated that polar head base of the different amine/ammonium cation can  adsorption on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface, and the energies are more negative  when amine/ammonium cations adsorption on hollow sites of kaolinite (001) surface.  Therefore, according to the surface symmetry, three hollow adsorption sites of the single  amine/ammonium cation on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface were examined, as  shown in Figure 5.  Table 1 Optimized results of the bulk of kaolinite  Fig. 4. The optimized geometries of different amine/ammonium cations.  (a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+)  7

  Fig. 5. The initial adsorption sites of different amine/ammonium cations on kaolinite (001)  surface (a) and ( 00 1 ) surface (b), where H1, H2, and H3 in the circle denoted the sites of  hollow 1, hollow 2, and hollow 3, respectively.    2.3.2 Calculation of adsorption energies  The stability of adsorbate on the surface can be represented by the adsorption energy.  The negative values mean that the adsorbate can be adsorbed on the surface. The adsorption  energies of adsorbates on kaolinite surfaces were calculated as:                       Eads= Etotal–(Eadsorbate+Esurface),                       (3)  where Eads is the adsorption energy, kJ/mol; Etotal is the energy of the kaolinite (001) surface or  ( 00 1 ) surface with different amine/ammonium cation adsorbed, kJ/mol; Eadsorbate is the  energies of different amine/ammonium cations in 20×20×30 Å3 cubic box, kJ/mol; and Esurface  is the energy of the kaolinite (001) surface or ( 00 1 ) surface, kJ/mol. 

3 Results and discussion  3.1 Contact angles, Zeta potentials and aggregation observation  The wettability of the prepared kaolinite samples was investigated in the study according  to the different contact angles on their surfaces. Figure 6 shows the contact angles of  kaolinite samples under different conditions at pH 7.0. The contact angles of kaolinite  samples increase with the increase of reagent dosage of different amine/ammonium salts,  and the hydrophobic modification abilities of this four amine/ammonium salts for kaolinite  fell in the order of DTAC>DDA>DMDA>MDA.    Fig. 6. Contact angles of kaolinite samples in different conditions at pH 7.0.    8

pH is an important factor affecting the Zeta potential of mineral particle surface [43‐45].  Figure 7 illustrates the Zeta potential of kaolinite particles as a function of reagent  concentration and pH value in aqueous solution in the absence and presence of different  amine/ ammonium salts. The Zeta potentials of kaolinite particles are negative and reduce  with the decrease of pH. Meanwhile, the absolute value of Zeta potential decreases with the  increase of reagent dosage of different amine/ammonium salts.  Figure 8 shows the microscopic images of the aggregated kaolinite particles with reagent  concentration of 6×10‐4 mol/L at pH 7.0. The sizes of the aggregations fell in the order of  DTAC>DDA>DMDA>MDA, which indicated that the aggregating abilities of this amine/  ammonium salts for kaolinite fell in the order of DTAC>DDA>DMDA>MDA. The sizes of the  aggregations were about 0.5~1 mm, which were 250~500 times of the average particle size  (see Figure 1) of kaolinite particles.  These results show that these four kinds of different amine/ammonium salts can  enhance the hydrophobicity and reduce the electronegativity of kaolinite particle surface, and  promote the fine particles to form aggregation. This aggregation was directly proportional to  the negative zeta potential of the particles, which was contrary to classic DLVO theory, but in  line with the extended DLVO theory. And it closely correlated with the adsorption of different  amine/ammonium salts on kaolinite surface and thus the hydrophobicity of particle surface.  Accordingly, it belongs to hydrophobic aggregation.    Fig. 7. Zeta potential of kaolinite particles as the function of reagent concentration (a) and pH  value (b) in aqueous solution in the absence and presence of different amine/ammonium  salts.    Fig. 8. Microscopic images of aggregated kaolinite particles with reagent concentration of 6× 10‐4 mol/L at pH 7.0. (a: DDA; b: MDA; c: DMDA; d: DTAC).   

9

3.2 Adsorption and sedimentation  Figure 9 shows the adsorption quantity of different amine/ammonium salts on kaolinite  as a function of reagent concentration and pH value. With the increase of reagent  concentration the adsorption quantity presented an upward trend, and it tended to be stable  when the reagent concentration reaches 8×10‐3 mol/L. However, there was a slight increase  of the adsorption quantity along with the increase of the pH value. Figure 10 shows the  influence of reagent concentration and pH value on hydrophobic aggregation settlement of  kaolinite. The sedimentation efficiency increased with the increase of reagent concentration  then gradually tended towards balance, but decreased steadily with the pH increasing from 3  to 11.    The results of adsorption and sedimentation show that these four kinds of different  amine/ ammonium salts can adsorb on kaolinite particles to promote the settlement of fine  kaolinite particles, and that pH has a significance influence on the adsorption and  sedimentation of kaolinite with different amine/ammonium salts. Namely that amine/  ammonium salts can realize the effective hydrophobic aggregation settlement of fine  kaolinite particles by adjusting its surface properties, which can provide a theoretical basis to  develop new technologies of sedimentation and clarification for high muddied coal slurry  water.    Fig. 9. Adsorption quantity of different amine/ammonium salts on kaolinite particles as a  function of reagent concentration (a) and pH value (b). Conditions: pulp density=2 g/L, stirring  intensity=750 r/min, stirring time=10 min.    Fig. 10. The influence of reagent concentration (a) and pH value (b) on hydrophobic  aggregation settlement of kaolinite. Conditions: pulp density=2 g/L, pH=7.0, stirring  intensity=750 r/min, stirring time=10 min.  3.3 DFT calculation 

10

The configurations of the four different amine/ammonium cations adsorption on  different hollow positions of kaolinite (001) and ( 00 1 ) surfaces were optimized. Position  changes and adsorption energies optimized are given in Table 2, which shows that the best  adsorption sites for DDA+, MDA+, DMDA+, and DTAC+ adsorbing on kaolinite (001) surface and  ( 00 1 ) surface are H3 site and H1 site, respectively. Adsorption energies corresponding to H3  site on kaolinite (001) surface are ‐104.808, ‐79.808, ‐86.538 and ‐103.846 kJ/mol,  respectively. Similarly, adsorption energies corresponding to H1 site on kaolinite ( 00 1 )  surface are ‐122.692, ‐119.904, ‐118.654 and ‐104.808 kJ/mol, respectively.    Table 2 Summary of the different trial structure and resulting adsorption energies for  different amine/ammonium cations on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface    Fig. 11. Optimized configurations of amine/ammonium cations adsorption on kaolinite (001)  surface. (a:DDA+ /H3;b:MDA+ /H3;c:DMDA+ /H3;d:DTAC+ /H3)    Fig. 12. Optimized configurations of amine/ammonium cations adsorption on kaolinite ( 00 1 )  surface. (a:DDA+ /H1;b:MDA+ /H1;c:DMDA+ /H1;d:DTAC+ /H1)    According to the results in Table 2, taking the optimized adsorption configurations of  DDA+,MDA+,DMDA+ and DTAC+ on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface as examples  to analyze bonding properties. The optimized adsorption configurations of kaolinite (001)  surface and ( 00 1 ) surface are given in Figure 11 and Figure 12, respectively. (The strong  hydrogen bonds of N‐H…O are displayed by the blue dash line, and the weak hydrogen bonds  of C‐H…O are displayed by the black dash line). We can see, the orientation of the  amine/ammonium cations with respect to the kaolinite surface were perpendicular with a  slight tilt. The Mulliken bond populations of the optimized adsorption configurations of DDA+,  MDA+, DMDA+ and DTAC+ on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface are given in Table 3  11

which shows that only DDA+ of the four adsorption configurations of H3/(001) surface can  form N‐H…O strong hydrogen bond with the kaolinite surface, and the bond is 1.615 Å in  length, and the Mulliken bond population is 0.16. While the other three cations only form C‐ H…O weak hydrogen bond with the kaolinite surface, their bond lengths are from 2.00 to 3.00  Å, and thier Mulliken bond populations are between 0.0 and 0.03. Only DDA+ and MDA+ of all  the four adsorption configurations of H1/( 00 1 ) surface can form N‐H…O strong hydrogen  bond with the kaolinite surface, their bond lengths are from 1.8 to 2.1 Å, and their Mulliken  bond populations are from 0.06 to 0.09. While the other three cations only form C‐H…O weak  hydrogen bonds with the kaolinite surface, their bond lengths are from 2.00 to 3.00 Å, and  their Mulliken bond populations are 0.0~0.03. Contrasted with the average adsorption  energies of different amine/ammonium cations adsorbed on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface (see Table 3), the adsorption stability of these four cations on kaolinite (001) and ( 00 1 ) surface are in the order of DDA+ >DTAC+ > DMDA+ >MDA+, this result is basically 

consistent with the results of experimental measurement. However, since different  ammonium cations have different hydrophobic groups, which have different hydrophobic  modification effect of kaolinite surfaces, leading to the difference between the calculation  results with the experimental values.    Table 3 The Mulliken bond populations of different amine/ammonium cations adsorption on  kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface    The mechanism of different amine/ammonium cations adsorption on kaolinite surface  could be clarified by the electron transfer analysis among the adjacent atoms in the  cation/kaolinite adsorption systems. The electron density difference can describe the electron  rearrangement between two adjacent atoms after adsorption [46], and the electron density  difference Δρ was defined as following:                      Δρ= ρcation/kaolinite–(ρcation +ρkaolinite),                       (4) 

12

Where ρcation/kaolinite , ρcation and ρkaolinite were the electron densities of the cation/kaolinite  system  after adsorption, free amine/ammonium cation, kaolinite slab before adsorption,  respectively.  Figure 13 and Figure 14 show the electron density difference of different amine/  ammonium cations adsorption on kaolinite (001) surface and kaolinite ( 00 1 ) surface,  respectively. The blue area in the two figures indicates the electron accumulation, while the  yellow area indicates the electron depletion. And the greater the area of electron  accumulation and depletion is, the stronger the interaction between cation and kaolinite  surface in the adsorption system. As seen in Figure 13 and Figure 14,a significant charge  transfer has happened between atoms of the four adsorption system and the adjacent atoms  of the kaolinite (001) surface and kaolinite ( 00 1 ) surface. What’s more, electrons were  transferred from the hydrogen atom of cations to the oxygen atom of kaolinite surface. On  kaolinite (001) surface was no significant difference in the degree of charge transfer in the  adsorption systems of MDA+, DMDA+ and DTAC+, but their charge transfer degrees mentioned  above were obviously less than that of DDA+ adsorption system. While on kaolinite ( 00 1 )  surface was no significant difference in the degree of charge transfer in the DMDA+ and DTAC+  adsorption systems whose charge transfer degree are obviously less than that of DDA+ and  MDA+ adsorption system. In the adsorption systems, apart from the charge transfer between  the hydrogen atoms and the surface oxygen atoms of hydrogen bonds, there is a certain  amount of electron accumlation around the oxygen atoms approaching the hydrogen atoms  of the cations. Since the charge transfer from amine/ammonium cations to the surface of  kaolinite, the kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface displayed the negative charge. As the  reasult of electrostatic attraction, the positively charged amine/ammonium cations adsorbed  on the negatively charged kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface.    Fig. 13. The electron density difference of amine/ammonium cations adsorbed on kaolinite  (001) surface, the isosurface value is 0.006 electrons/Å3, where blue area and yellow area  denoted the electron accumulation and the electron depletion, respectively.  13

(a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+)    Fig. 14. The electron density difference of amine/ammonium cations adsorbed on kaolinite ( 00 1 ) surface, the isosurface value is 0.006 electrons/Å3, where blue area and yellow area 

denoted the electron accumulation and the electron depletion, respectively.  (a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+)    The Mulliken atomic charges [47] were also calculated before and after different  amine/ammonium cations adsorption on kaolinite (001) surfaces and ( 00 1 ) surface, as  displayed in Table 4. The hydrogen atoms lost 0.01~0.17 e owing to its interaction with the  surface oxygen atoms of the four kinds of cations. Furthermore, after the adsorption of four  cations onto the kaolinite surface, the Mulliken charge populations of oxygen atoms gained  0.01~0.12 e. The lost electrons of four amine/ammonium cations mainly came from its  headgroup hydrogen atoms or the methyl hydrogen atoms of adjacent surface. The amount  of charge transfer from four cations to the kaolinite (001) surface is 0.39e, 0.30e, 0.37e,  0.38e, respectively. And the amount of charge transfer from four cations to the kaolinite ( 00 1 ) surface is 0.70 e, 0.70 e, 0.59 e, 0.57 e, respectively. Combined with the adsorption 

energy calculation results, the more electrons transferred from cations to kaolinite surface,  the more negative the adsorption energy and the more stable the adsorption system. Due to  a large number of electrons transferred to the kaolinite surface, the surface displays a large  negative charges (‐0.30 e~‐0.70 e) and easily adsorbs the positively charged cations by the  means of electrostatic attraction.    Table 4 Mulliken atomic charges before and after different amine/ammonium cations  adsorption on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface   

14

The DFT calculation results show that different amine/ammonium cations can strongly  adsorbed on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface by forming N‐H…O strong hydrogen  bonds and C‐H…O weak hydrogen bonds, and that there are strongly electrostatic attraction  between different amine/ammonium cations and kaolinite surfaces. This indicates that the  main adsorption mechanism of amine/ammonium cations on kaolinite is hydrogen‐bond  interaction and electrostatic attraction. Additionally, the adsorption is stronger on the  siloxane surface (kaolinite ( 00 1 ) surface) than the hydroxyl surface (kaolinite (001) surface),  which agrees well with those found in the study of Geatches, et al. [48]. 

4 Conclusion  (1) Fine kaolinite particles strongly aggregates with amine/ammonium salts, which can  enhance the hydrophobicity and reduce the electronegativity of particle surfaces. This  situation is in line with the extended DLVO theory, and closely correlated with the adsorption  of amine/ammonium salts on particles and the hydrophobicity of particle surfaces  accordingly. Therefore, it belongs to hydrophobic aggregation. The aggregating abilities of the  four amine/ammonium salts for kaolinite fell in the order DTAC > DDA > DMDA > MDA.  (2) Different amine/ammonium salts can adsorb on kaolinite particles, and realize the  effective hydrophobic aggregation settlement of fine kaolinite particles. With the increase of  reagent concentration, the adsorption quantity of amine/ammonium salts on kaolinite  particles tends to increase, reaches equilibrium when the reagent concentration is about 8× 10‐3 mol/L.  (3) The different amine/ammonium cations can strongly adsorbe on kaolinite (001)  surface and ( 00 1 ) surface by forming N‐H…O strong hydrogen bonds or C‐H…O weak  hydrogen bonds, and there is a strongly electrostatic attraction between different  amine/ammonium cations and kaolinite surfaces. Additionally, the adsorption is stronger on  the siloxane surface than the hydroxyl surface.  (4) The main adsorption mechanism of amine/ammonium cations on kaolinite is a  hydrogen‐bond interaction and electrostatic attraction. 

15

Acknowledgements  The financial supports for this work from the National Natural Science Foundation of  China under the grant No. 51474011 and the National Natural Science Foundation of China  under the grant No.51504011 are gratefully acknowledged. 

REFERENCES  [1] J. Chen, F. Min, L. Liu, C. Peng, F. Lu, Hydrophobic aggregation of fine particles in high  muddied coal slurry water, Water Sci. Technol. 73 (2016) 501‐510.  [2] F. Uddin, Clays, Nanoclays, and Montmorillonite Minerals, Mater. Trans. A. 39 (2008)  2804‐2814.  [3] E. Sabah, I. Cengiz, An evaluation procedure for flocculation of coal preparation plant  tailings, Water Res. 38 (2004) 1542‐1549.  [4] B. Wang, Y. Peng, The behavior of mineral matter in fine coal flotation using saline  water, Fuel, 109 (2013) 309‐315.  [5] J. Chen, F. Min, L. Liu, C. Peng, Y. Sun, J. Du, Study on hydrophobic aggregation  settlement of high muddied coal slurry water, J. China Coal Soc. 39 (2014) 2507‐2512.  [6] A. Koca, H. Koca, Carrierflotation of alunite from kaolin clay, Developments in Mineral  Processing.13 (2000) c11‐1‐c11‐8.  [7] H. Li, J. Long, Z. Xu, J.H. Masliyah, Flocculation of kaolinite clay suspensions using a  temperature‐sensitive polymer, AICHE. J. 53 (2007) 479‐488.   [8] K.E. Lee, N. Morad, B.T. Poh, T.T. Teng, Comparative study on the effectiveness of  hydrophobically modified cationic polyacrylamide groups in the flocculation of kaolin,  Desalination. 270 (2011) 206‐213.  [9] F. Min, C. Peng, S. Song, Hydration layers on clay mineral surfaces in aqueous  solutions: a review, Arch. Min. Sci. 59 (2014) 373‐384.  [10] M. Żbik, R.G. Horn, Hydrophobic attraction may contribute to aqueous flocculation  of clays, Colloid. Surface. A. 222 (2003) 323‐328.  16

[11] J. Cui, Q. Fang, G. Huang, Crystal structures and surface properties of diaspore and  kaolinite, Nonferr. Metal. 51 (1999) 25‐30.  [12] S. Song, A. Lopez‐Valdivieso, J. L. Reyes‐Bahena, H.I. Bermejo‐Perez, Hydrophobic  Flocculation of Galena Fines in Aqueous Suspensions, J. Colloid Interf. Sci. 227 (2000) 272‐281.  [13] F. Merzel, J. C. Smith, Is the first hydration shell of lysozyme of higher density than  bulk water? P. Natl. Acad. Sci. USA. 99 (2002) 5378‐5383.  [14] Y. Hu, L. Liu, F. Min, M. Zhang, S. Song, Hydrophobic aggregation of colloidal  kaolinite in aqueous suspensions with dodecylamine. Colloid. Surface, A. 434 (2013) 281‐286.  [15] X. Zhang, Y. Hu, R. Liu, Hydrophobic aggregation of ultrafine kaolinite, J. Cent. South  Univ. T. 15 (2008) 368‐372.  [16] H. Jiang, Z. Sun, H. Long, Y. Hu, K. Huang, S. Zhu, A comparison study of the flotation  and adsorption behaviors of diaspore and kaolinite with quaternary ammonium collectors,  Miner. Eng. 65 (2014) 124‐129.  [17] Y. Hu, P. Chen, W. Sun, Study on quantitative structure‐activity relationship of  quaternary ammonium salt collectors for bauxite reverse flotation, Miner. Eng. 26 (2012) 24‐ 33.  [18] Y. Xu, Y. Liu, D. He, G. Liu, Adsorption of cationic collectors and water on muscovite  (001) surface: a molecular dynamics simulation study, Miner. Eng. 53 (2013) 101‐107.  [19] L. Wang, Y. Hu, W. Sun, Y. Sun, Molecular dynamics simulation study of the  interaction of mixed cationic/anionic surfactants with muscovite, Appl. Surf. Sci. 327 (2015)  364‐370.   [20] S.S. Rath, H. Sahoo, B. Das, B.K. Mishra, Density functional calculations of amines on  the (101) face of quartz, Miner. Eng. 69 (2014) 57‐64.  [21] H.C. Greenwell, S. Stackhouse, P.V. Coveney, W. Jones, A Density Functional Theory  Study of Catalytictrans‐Esterification bytert‐Butoxide MgAl Anionic Clays, J. Phys. Chem. B.  107 (2003) 3476‐3485. 

17

[22] J.A. Greathouse, R.T. Cygan, Molecular dynamics simulation of uranyl(VI) adsorption  equilibria onto an external montmorillonite surface, Phys. Chem. Chem. Phys. 7 (2005) 3580‐ 3586.  [23] J.L. Suter, R.L. Anderson, H.C. Greenwell, P.V. Coveney, Recent advances in large‐ scale atomistic and coarse‐grained molecular dynamics simulation of clay minerals, J. Mater.  Chem. 19 (2009) 2482‐2493.  [24] X. Wang, Y. Huang, Z. Pan, Y. Wang, C. Liu, Theoretical investigation of lead vapor  adsorption on kaolinite surfaces with DFT calculations, J. Hazard. Mater. 295 (2015) 43‐54.  [25] X. Wang, P. Qian, K. Song, C. Zhang, J. Dong, The DFT study of adsorption of 2,4‐ dinitrotoluene on kaolinite surfaces, Comput. Theor. Chem. 1025 (2013) 16‐23.  [26] C.I. Sainz‐Díaz, V. Timón, V. Botella, E. Artacho, A. Hernández‐Laguna, Quantum  mechanical calculations of dioctahedral 2:1 phyllosilicates: Effect of octahedral cation  distributions in pyrophyllite, illite, and smectite, Am. Mineral. 87 (2002) 958‐965.  [27] E. Escamilla‐Roa, V. Timón, A. Hernández‐Laguna, DFT study of the adsorption of Ni  on Anatase (001) surface, Comput. Theor. Chem. 981 (2012) 59‐67.  [28] D.L. Geatches, S.J. Clark, H.C. Greenwell, DFT+Uinvestigation of the catalytic  properties of ferruginous clay, Am. Mineral. 98 (2013) 132‐140, 2013.  [29] S.J. Clark, M. D. Segall, C. J. Pickard, P. J. Hasnip, M. I. J. Probert, K. Refson, M. C.  Payne, First principles methods using CASTEP, Z. Kristallogr. 220 (2005) 567‐570.  [30] M.D. Segall, P. J.D. Lindan, M.J. Probert, C.J. Pickard, P.J. Hasnip, S.J. Clark, M.C.  Payne, First‐principles simulation: ideas, illustrations and the CASTEP code, J. Phys.: Condens.  Matter. 14 (2002) 2717‐2744.  [31] J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized gradient approximation made  simple, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3865‐3868.  [32] D. Vanderbilt, Soft self‐consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue  formalism, Phys. Rev. B. 41 (1990) 7892‐7895. 

18

[33] B. Pfrommer, M. Côté, S. Louie, M. Cohen, Relaxation of crystals with the quasi‐ Newton method, J. Comput. Phys. 131 (1997) 233‐240.  [34] A. Tkatchenko, M. Scheffler, Accurate molecular van der Waals interactions from  ground‐state electron density and free‐atom reference data, Phys. Rev. Lett. 102 (2009)  073005‐1‐4.   [35] T. Bučko, S. Lebègue, J. Hafner, J. G. Ángyán, Tkatchenko‐Scheffler van der Waals  correction method with and without self‐consistent screening applied to solids, Physical  Review B, 87 (2013) 064110‐1‐15.  [36] Y. Han, W. Liu, J. Chen, DFT simulation of the adsorption of sodium silicate species  on kaolinite surfaces, Appl. Surf. Sci. 370 (2016) 403‐409.  [37] C.M.P. Vaz, P.S.P. Herrmann, S.Crestana, Thickness and size distribution of clay‐sized  soil particles measured through atomic force microscopy, Powder Technol. 126 (2002) 51‐58.  [38] R. Šolc, M.H. Gerzabek, H. Lischka, D. Tunega, Wettability of kaolinite (001) surfaces‐ Molecular dynamic study, Geoderma. 169 (2011) 47‐54.   [39] H.J.  Monkhorst, J.D Pack, Special points for Brillonin‐zone integrations, Phys. Rev. B.  13 (1976) 5188‐5192.  [40] J.Chen, F. Min, L. Liu, C. Peng, DFT calculations of different amine/ammonium  cations adsorption on kaolinite (001) surface, J. China Coal Soc. 41 (2016) 3115‐3121.  [41] X.L. Hu, A. Michaelides, Water on the hydroxylated (001) surface of kaolinite: From  monomer adsorption to a flat 2D wetting layer, Surf. Sci. 602 (2008) 960‐974.  [42] D.L. Bish, Rietveld refinement of the kaolinite structure at 1.5 K, Clay. Clay. Miner. 41  (1993) 738‐744.  [43] A. Syed, D. Şahinde, G. Özbayoğlu, Zeta potential measurements on three clays from  Turkey and effects of clays on coalflotation, J. Colloid Interf. Sci. 184 (1996) 535‐541.  [44] Y. Yukselen, A. Aksoy, A study of factors affecting on the zeta potential of kaolinite  and quartz powder, Environ. Earth. Sci. 62 (2011) 697‐705.  19

[45] K.G. Satyanarayana, Clay surfaces: fundamentals and applications (Vol. 1). F.  Wypych (Ed.), Academic Press, 2004.  [46] C. Peng, F. Min, L. Liu, J. Chen, A periodic DFT study of adsorption of water on  sodium‐montmorillonite (001) basal and (010) edge surface, Appl. Surf. Sci. 387 (2016) 308‐ 316.  [47] R.S. Mulliken, Electronic population analysis on LCAO‐MO molecular wave functions,  I. J. Chem. Phys. 23 (1955) 1833‐1840.   [48] D.L. Geatches, A. Jacquet, S.J. Clark, H. C. Greenwell, Monomer Adsorption on  Kaolinite: Modeling the Essential Ingredients, J. Phys. Chem. C. 116 (2012) 22365‐22374.  Figure Caption   

 

20

 

Cumulative undersize /%

100

80



d25 =0.498 m

60

d50 =2.004 m

40

d75 =12.030m

20

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Particle size /m

 

Fig. 1. Particle size distribution of the kaolinite sample.      300 1

Intensity / (a.u.)

250

1- Al2Si2O5(OH)4, Kaolinite-1Md 2- Al2Si2O5(OH)4, Kaolinite-1A 3- Al2Si2O5(OH)4, Dickite-2M1

200

1

150

1 2

100

2

12

11

50 0

20

30

1

1 1

3

2 2

40

50

60

3

10

1

1

2

70

80

2/()

 

Fig. 2. XRD pattern of the kaolinite sample.   

21

(a)  Al‐OH surface Si‐O surface Hydrogen bond Octahedral AlO2(OH)4 Tetrahedral SiO4

(b)  Silicate ring (lower surface) Aluminate ring (upper surface) Al

Si

O

H

  Fig. 3. The layer structure of kaolinite.   

(a) 

(b) 

(c) 

(d) 







 

Fig. 4. The optimized geometries of different amine/ammonium cations.  (a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+)   

22

(a)

(b)

H1 H2 H3

H2

H3

H1

Al 

Si 





 

Fig. 5. The initial adsorption sites of different amine/ammonium cations on kaolinite (001)  surface (a) and ( 00 1 ) surface (b), where H1, H2, and H3 in the circle denoted the sites of  hollow 1, hollow 2, and hollow 3, respectively.     

Contact angle /°

52

48

44

n= 750 r/min t = 10 min pH = 7.0

40

36

0

2

4

6

DDA MDA DMDA DTAC

8

10

-4

Reagent concentration /(10 mol· L)

 

Fig. 6. Contact angles of kaolinite samples in different conditions at pH 7.0.     

23

10

-4

C= 210 mol/L

5



0

Zeta potential /mV

Zeta potential /mV

5

-5 -10 -15

DDA MDA DMDA

pH = 7.0

DTAC

5

10

15

20

25

30

35

-5 -10 -15

DDA MDA DMDA DTAC Original kaolinite

-20 -25 -30

-20 0



0

-35

40

-4

Reagent concentration /(10 mol· L)

(a)

3

4

5

6

7

8

9

10

11

pH value

(b)

  

 

Fig. 7. Zeta potential of kaolinite particles as the function of reagent concentration (a) and pH  value(b) in aqueous solution in the absence and presence of different amine/ammonium  salts.     

(a) 

1 mm 

(b)

1 mm 

(c) 

1 mm 

(d)

1 mm 

  Fig. 8. Microscopic images of aggregated kaolinite particles with reagent concentration of 6× 10‐4 mol/L at pH 7.0. (a: DDA; b: MDA; c: DMDA; d: DTAC).      24

-2

Adsorption quantity /µmol· m

-2

Adsorption quantity /µmol· m

15

10

12 9

n= 750 r/min t = 10 min pH = 7.0

6 3 0

11

0

20

40

DDA MDA DMDA DTAC

60

80

100

9 8 7 6

DDA MDA DMDA DTAC

n= 750 r/min t = 10 min -3 C= 210 mol/L

5 4

3

4

5

-4

6

7

8

Reagent concentration /(10 mol· L)

pH value

(a)

(b)

9

10

11

 

Fig. 9. Adsorption quantity of different amine/ammonium salts on kaolinite particles as a  function of reagent concentration (a) and pH value (b). Conditions: pulp density=2 g/L, stirring  intensity=750 r/min, stirring time=10 min. 

 

95

Sedimentation efficiency /%

Sedimentation efficiency /%

 

90 85

n= 750 r/min t = 10 min pH = 7

80 75

DDA MDA DMDA DTAC

70 65

0

2

4

6

8

-4

10

Reagent concentration /(10 mol· L)

(a)

96 DDA MDA DMDA DTAC

92 88 84

n= 750 r/min t = 10 min -4 C= 210 mol/L

80 76

2

4

6

8

10

12

pH value

 

(b)

 

Fig. 10. The influence of reagent concentration (a) and pH value (b) on hydrophobic  aggregation settlement of kaolinite. Conditions: pulp density=2 g/L, pH=7.0, stirring  intensity=750 r/min, stirring time=10 min. 

   

25

(a)

(b) H2  H1  H3 

H2  H3  O2 

H1  O1 

O2  O1  O3 

O3 

(c)

(d) H2  H3 

H1 

H2 

H1 

H3 

O2 

O2 

O1 

O1  O3 

O3 

  Fig. 11. Optimized configurations of amine/ammonium cations adsorption on kaolinite (001)  surface. (a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+) 

  (a)

(b)

H1 

H3  H1  H2  O1 

H3  H2 

O1 

O2 

O2  O3 

O3 

(c)

(d) H1 

H3  H1 H2  O1 

H3  H2 

O1 

O2 

O2  O3 

O3 

 

26

Fig. 12. Optimized configurations of amine/ammonium cations adsorption on kaolinite ( 00 1 )  surface. (a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+)   

  Fig. 13. The electron density difference of amine/ammonium cations adsorbed on kaolinite  (001) surface, the isosurface value is 0.006 electrons / Å3, where blue area and yellow area  denoted the electron accumulation and the electron depletion, respectively.  (a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+) 

27

 

Fig. 14. The electron density difference of amine/ammonium cations adsorbed on kaolinite ( 00 1 ) surface, the isosurface value is 0.006 electrons / Å3, where blue area and yellow area 

denoted the electron accumulation and the electron depletion, respectively.  (a:DDA+;b:MDA+;c:DMDA+;d:DTAC+)         

 

28

 

  Table 1 Optimized results of the bulk of kaolinite  Lattice parameters /Å

Computational 

Cell Angles /°

Current cell 

parameter 



b

c

α

β

γ 

volume /Å3 

GGA/400 eV 

5.196 

9.007 

7.372 

93.029 

105.983 

89.866 

331.221 

(GGA/700 eV)[41] 

5.196 

9.021 

7.485 

91.70 

104.72 

89.78 

339.17 

experimental test value[42] 

5.153

8.942

7.391

91.926

105.046

89.797 

329.910

      Table 2 Summary of the different trial structure and resulting adsorption energies for  different amine/ammonium cations on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface  Adsorption  configuration 

DDA+ 

MDA+ 

DMDA+ 

DTAC+ 

On (001) surface 

On ( 00 1 ) surface 

Initial position 

Final position 

Eads /(kJ/mol) 

Initial position 

Final position 

Eads /(kJ/mol) 

H1 

H1 

‐98.077 

H1 

H1 

‐122.692 

H2 

H2

‐95.192

H2

H2 

‐94.038

H3 

H3

‐104.808

H3

H3 

‐88.461

H1 

H1 

‐67.308 

H1 

H1 

‐119.904 

H2 

H2

‐61.538

H2

H2 

‐99.712

H3 

H3 

‐79.808 

H3 

H3 

‐52.885 

H1 

H1 

‐72.501 

H1 

H1 

‐118.654 

H2 

H2

‐68.632

H2

H2 

‐101.346

H3 

H3 

‐86.538 

H3 

H3 

‐67.308 

H1 

H1

‐96.273

H1

H1 

‐104.808

H2 

H2

‐91.346

H2

H2 

‐101.923

H3 

H3

‐103.846

H3

H3 

‐89.808

       

29

Table 3 The Mulliken bond populations of different amine/ammonium cations adsorption on  kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface  (001) surface / H3 

( 00 1 ) surface / H1 

Adsorption configuration 

DDA+ 

MDA+ 

DMDA+ 

DTAC+ 

Bond 

Length /Å

Bond population

Bond

Length /Å 

Bond population

N‐H1∙∙∙O1 

1.615 

0.16 

N‐H1∙∙∙O1 

1.727 

0.09 

C‐H2∙∙∙O2 

2.136 

0.02 

N‐H2∙∙∙O2 

2.086 

0.03 

C‐H3∙∙∙O3 

2.907 

0.00 

C‐H3∙∙∙O3 

1.983 

0.01 

C‐H1∙∙∙O1 

2.037

0.03

N‐H1∙∙∙O1

1.858 

0.06

C‐H2∙∙∙O2 

2.581 

0.00 

C‐H2∙∙∙O2 

2.444 

0.00 

C‐H3∙∙∙O3 

2.718

0.00

C‐H3∙∙∙O3

2.482 

0.00

C‐H1∙∙∙O1 

2.092 

0.03 

C‐H1∙∙∙O1 

2.195 

0.00 

C‐H2∙∙∙O2 

2.785 

0.00 

C‐H2∙∙∙O2 

2.599 

0.00 

C‐H3∙∙∙O3 

2.878

0.00

C‐H3∙∙∙O3

2.432 

0.00

C‐H1∙∙∙O1 

2.529 

0.00 

C‐H1∙∙∙O1 

2.190 

0.01 

C‐H2∙∙∙O2 

2.452 

0.01 

C‐H2∙∙∙O2 

2.640 

0.00 

C‐H3∙∙∙O3 

2.206 

0.02 

C‐H3∙∙∙O3 

2.389 

0.00 

The atomic numbers in Table 4 are corresponding to the atomic numbers in Fig. 10 and Fig. 11; the  same below.   

Table 4 Mulliken atomic charges before and after different amine/ammonium cations  adsorption on kaolinite (001) surface and ( 00 1 ) surface  Mulliken charge /e Atomic number  H3 / (001) surface  

H1 / ( 00 1 ) surface 

Adsorption states  DDA+ 

MDA+ 

DMDA+ 

DTAC+ 

DDA+ 

MDA+ 

DMDA+ 

DTAC+ 

before 

0.30 

0.27

0.27

0.25

0.30

0.27 

0.27 

0.25

after 

0.39 

0.27

0.28

0.27

0.43

0.45 

0.29 

0.29

before 

0.30 

0.28

0.25

0.27

0.30

0.28 

0.25 

0.27

after 

0.31 

0.28 

0.26 

0.28 

0.44 

0.30 

0.28 

0.29 

before 

0.26 

0.28 

0.27 

0.25 

0.26 

0.28 

0.27 

0.25 

after 

0.29 

0.28 

0.27 

0.27 

0.30 

0.31 

0.30 

0.29 

before 

‐0.93 

‐0.68 

‐0.42 

‐0.16 

‐0.93 

‐0.68 

‐0.42 

‐0.16 

after 

‐0.85 

‐0.66 

‐0.40 

‐0.14 

‐0.80 

‐0.60 

‐0.39 

‐0.16 

before 

‐1.06 

‐1.06 

‐1.06 

‐1.06 

‐1.06 

‐1.06 

‐1.06 

‐1.06 

after 

‐1.07 

‐1.06 

‐1.06 

‐1.08 

‐1.13 

‐1.15 

‐1.15 

‐1.15 

H1 

H2 

H3 



O1 

30

before 

‐1.06 

‐1.06

‐1.06

‐1.06

‐1.06

‐1.06 

‐1.06 

‐1.06

after 

‐1.06 

‐1.06

‐1.07

‐1.06

‐1.16

‐1.18 

‐1.18 

‐1.17

before 

‐1.05 

‐1.05

‐1.05

‐1.05

‐1.05

‐1.05 

‐1.05 

‐1.05

after 

‐1.05 

‐1.05

‐1.05

‐1.06

‐1.16

‐1.16 

‐1.17 

‐1.16

before 



0

0

0

0

0



0

after 

0.39 

0.30

0.37

0.38

0.70

0.70 

0.59 

0.57

before 

















after 

‐0.39 

‐0.30

‐0.37

‐0.38

‐0.70

‐0.70 

‐0.59 

‐0.57

O2 

O3 

Cations 

(001)  surface 

   

31