CN117069473B - 一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，包括：在棉质基材中加入具有微生物的菌液，当微生物吸附于棉质基材表面后，在棉质基材中加入胶结液至淹没棉质基材；在装有棉质基材、菌液和胶结液的容器内驱动菌液和胶结液循环流动，使微生物在棉质基材内发生矿化作用，矿化反应完成后排空容器内液体，即完成一个处理周期，完成N个处理周期后得到生物砖，N≥1。本发明可以通过控制处理周期次数来调控填充度，可控性好，无需生产模具，无需脱模操作，生产操作简便高效，棉质基材易于加工成各种形状，方便制备互锁结构与各类异形结构的生物砖，避免了传统散体材料在潮湿环境下强度降低现象的出现，制得的生物砖性能更稳定。

Description

一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法

技术领域

本发明属于新型建筑材料技术领域，更具体地，涉及一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法。

背景技术

研究表明，一些自然微生物会通过自身代谢活动产生脲酶、碳酸酐酶、胞外聚合物等，催化溶液中的尿素水解产生碳酸根离子，进而结合外源钙离子转变成为具有胶结作用的固相矿物碳酸钙，这一过程被称为微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)。2012年，美国的Biomason公司成立并以生产生物砖为主要业务，其生产工艺是采用微生物矿化技术来培养砖块，首先将沙土放入制砖模具中，并在沙土中接种巴氏生孢八叠球菌溶液，每隔一段时间，向沙土浇灌微生物矿化所需的胶结液，胶结液是以尿素为底物，钙盐提供矿化所需金属离子，细菌会吸附钙离子并在砂颗粒的孔隙中沉积碳酸钙，将沙颗粒胶结在一起，形成生物砖。

相对于传统的硅酸盐水泥类材料砖块而言，MICP技术制备生物砖具有三方面优点：(1)细菌分离自天然土壤，无环境危害性；(2)室温生产，反应条件温和，不产生废气废渣；(3)服役性能稳定，耐久性好，制得的生物砖具有抗碳化、抗氯离子渗透、抗酸雨、抗冻融能力。因此关于MICP技术制备生物砖的文献很多。中国发明专利CN 107540338 A公开了一种垃圾焚烧灰渣生物砖的制作方法，中国发明专利CN 111072139A中公开了硫自养型反硝化生物砖的制备方法及由此制备的生物砖，后者具有无外加碳源的优点，这两种方法的共同缺点有：一是制作多孔透水模具增加了生物砖的制备成本；二是多孔透水模具在使用过程中也会被生物矿化产物填充，需经酸洗才能再次利用；三是多孔透水模具和生物砖之间粘结牢固，脱模困难；四是该方法依赖混合溶液(尿素与氯化钙)的溶质自由扩散进入到砖体内被细菌利用，而浸泡法的溶液是静止的，溶质扩散速率慢，导致生物砖外表面先行固化封堵，生物砖的内部强度难以提高，同时混合溶液中有大量的尿素与氯化钙未被利用，原料利用率低。中国发明专利CN 108706954 B中公开了一种基于再生骨料的生物砖及其制备方法，其利用MICP胶结破碎处理后的再生骨料制备生物砖，该方法的缺点是由于生物砖内的废液需排空方可进行下一次灌浆，该方法的模具不具有透水性，因此不便于每次的排放废液操作。中国发明专利CN 110862244 B中公开了一种利用MICP制备生物砖的方法，其利用MICP胶结沙子制备生物砖，该方法的主要优点是砖的强度较高，然而存在的主要缺点是在沙子中加入了较多的生石灰用作胶凝材料，一方面生石灰是高能耗高碳排放的产品，另一方面在将沙子和生石灰投入菌液和胶结液中时，由于生石灰的剧烈放热，导致细菌死亡而使得菌液的利用率降低。中国发明专利CN 112374844A中公开了一种城市生活污泥焚烧灰渣资源化制备生物砖的工艺，该方法的缺点是生物砖强度的提高除了MICP以外，还依赖于添加高碳足迹的生石灰。中国发明专利CN 108706954B中公开了一种MICP固化稀土尾矿砂制备生物砖的方法，该方法的缺点是制砖模具中的生物砖未进行排空废液再反复补液操作，一次矿化成形所得生物砖不密实，强度较低。

由此可见，现有生物砖的制备技术存在密实度可控范围极小、需模具定型、无法用于生产互锁形式生物砖、颗粒间胶结力降低、制备过程可控性差的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，由此解决现有生物砖的制备技术存在密实度可控范围极小、需模具定型、无法用于生产互锁形式生物砖、颗粒间胶结力降低、制备过程可控性差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，包括：

在棉质基材中加入具有微生物的菌液，当微生物吸附于棉质基材表面后，在棉质基材中加入胶结液至淹没棉质基材；

在装有棉质基材、菌液和胶结液的容器内驱动菌液和胶结液循环流动，使微生物在棉质基材内矿化，矿化反应完成后排空容器内液体，即完成一个处理周期，完成N个处理周期后得到生物砖，N≥1。

进一步地，所述棉质基材的表观密度为0.05-0.10g/cm³，N为5或6。

进一步地，所述棉质基材的表观密度为0.02-0.05g/cm³，N为7或8。

进一步地，所述棉质基材的表观密度为0.01-0.02g/cm³，N为9-12。

进一步地，所述方法还包括：在棉质基材中加入具有微生物的菌液之前，将棉质基材切割成生物砖所需的形状。

进一步地，所述一个处理周期内，加入的菌液与胶结液的体积比为1∶(4～10)。

进一步地，所述胶结液为尿素与氯化钙的混合物，其中尿素与氯化钙的摩尔比为(1-1.3)∶1。

进一步地，所述棉质基材为聚氨酯绵、聚乙烯棉或木纤维素。

按照本发明的另一方面，提供了一种生物砖，所述生物砖通过一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法制备得到。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的装置，包括：容器、网架、排水口和造浪泵，

所述网架位于容器底部，用于放置棉质基材；

所述造浪泵的数量为多个，多个造浪泵中心对称的固定在容器内壁，用于驱动容器内溶液循环流动；

所述排水口为带塞子或阀门的排水口，位于容器底部侧面，用于矿化反应完成后排空容器内液体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)现有技术使用的基材依赖于再生骨料或沙，有的甚至需添加高碳足迹的生石灰以提高强度，砖体的密实度可控范围极小，由于其密度大，因此保温隔热性能差，应用范围受限，不宜作为内墙隔断材料。而本发明可以通过控制处理周期次数来调控填充度，制备的生物砖具有轻质特性，保温隔热性能优于普通生物砖。砂石等散体材料自身没有粘结力，需要利用模具定型，因此无法用于生产互锁形式(嵌套连接机制)的生物砖。而本发明所用的棉质基材易于加工成各种形状，方便制备互锁结构与各类异形结构的生物砖，可以实现生物砖的个性化定制。生物胶结散体材料在潮湿环境下易发生软化现象，即颗粒间胶结力降低，生物砖的强度难以保持。而本发明制备时无需添加生石灰或其他掺加剂，避免了传统散体材料在潮湿环境下强度降低现象的出现，制得的生物砖性能更稳定。传统砖内的胶结液是不流动的，导致生物矿化过程的均匀性难以控制，砖内易存在强度薄弱区。而本发明制备时在装有棉质基材、菌液和胶结液的容器内驱动菌液和胶结液循环流动，本发明的生物砖制备过程是在流动的溶液环境中进行，好处一是菌液与胶结液之间有均匀的接触；二是生物矿化产物与棉质基材也有均匀的接触，即生物矿化产物在流动溶液中可被棉质基材捕获并均匀地“生长”。本发明的生物成矿过程可控性更好，制得的生物砖均匀性更好。本发明用的是廉价易得的棉质基材，无需生产模具，无需脱模操作，生产操作简便高效。

(2)按照纤维密集程度棉质基材可以分为小孔、中孔、大孔这三种类型。小孔棉质基材的表观密度范围0.05-0.10g/cm³，小孔的基材对微生物成矿晶体有更好的捕获能力，因此碳酸钙晶体的填充效率更快，当N为5或6时，即可填充至40％。由于棉质基材是柔性材料，并且对生物矿化产物碳酸钙有很好的包裹作用，生物砖受压时纤维会限制碳酸钙的剥落，起到协同抗压作用。因此可以用纤维密度较高的棉质基材制备得到具有良好韧性的生物砖。中孔棉质基材的表观密度范围0.02-0.05g/cm³，中孔棉质基材填充至40％需要的处理周期次数多于小孔棉质基材。大孔棉质基材的表观密度范围0.01-0.02g/cm³，大孔棉质基材填充至40％需要的处理周期次数多于中孔棉质基材。制备过程中细菌活性好且胶液浓度高则需要填充的次数少，处理周期次数取较小值，细菌活性差且胶液浓度低则需要填充的次数多，处理周期取较大值。本发明通过选用不同纤维密度的多孔基材以及控制处理周期次数来调控密实度，可用于生产更轻质、保温隔热性能更佳的生物砖。

(3)传统生物砖定制需要定制模具，定制费用高难度大耗时长，而本发明在棉质基材中加入具有微生物的菌液之前，将棉质基材切割成生物砖所需的形状，棉质基材易于切割，由此实现生物砖的个性化定制。本发明的定制方式成本低、工艺简单快捷、提高生产效率。

(4)中国发明专利CN 108706954 B中公开了一种基于再生骨料的生物砖及其制备方法，其利用MICP胶结破碎处理后的再生骨料制备生物砖，该方法的缺点是菌液与胶结液(尿素与氯化钙)体积比为1∶1，过多的菌液在增加成本的同时还增加了有机废液的产量。中国发明专利CN 112374844 A中公开了一种城市生活污泥焚烧灰渣资源化制备生物砖的工艺，该方法的缺点是菌液与盐水溶液的体积比为1∶1，菌液的用量大导致成本较高。中国发明专利CN 108706954 B中公开了一种MICP固化稀土尾矿砂制备生物砖的方法，该方法的缺点是菌液与胶结液(尿素与氯化钙)体积比为1∶1，既增加了成本，也增加了有机废液的产量。这说明本领域常规技术手段中菌液与胶结液(尿素与氯化钙)体积比为1∶1，然而投入的菌液与胶结液的体积比很高，增加了菌液配制的成本，同时菌液浪费严重，会产生大量含有机质的废液，比无机废液处理更为困难。本发明一个处理周期内，加入的菌液与胶结液的体积比为1∶(4～10)，通过降低菌液/胶结液的体积比，有效地提高菌液的利用率，既能节省菌液的生产成本，又能减少有机废液的产生，有更好的生态效益。

(5)MICP化学方程式中尿素与氯化钙的摩尔比为1∶1，但由于尿素水解产生的二氧化碳无法被完全转化为碳酸根离子，本发明通过提高尿素与氯化钙的摩尔比可有效提高原料利用率，尤其是钙源的利用率。

(6)使用本发明制备方法制备得到轻质且有一定韧性、保温隔热性能好、密实度可控范围大、均匀性好、稳定强的生物砖，该生物砖的耐久性好，且对环境无不利影响，可用于替代传统的加气混凝土或泡沫混凝土等建筑材料。

(7)本发明装置结构简单，多个造浪泵中心对称的固定在容器内壁，有效驱动溶液循环流动，使得生物矿化产物在流动溶液中可被棉质基材捕获并均匀地“生长”。棉质基材置于网架上，不与容器底部直接接触，增加了棉质基材与生物矿化产物的接触面积，有利于生物矿化产物的生长。

附图说明

图1是本发明实施例提供的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的底部带网架的容器示意图；

图3是本发明实施例提供的生物砖制备装置示意图；

图4是本发明实施例提供的生物砖制备装置的前侧视图；

图5是本发明实施例提供的生物砖XRD图谱；

图6是本发明实施例提供的经过不同处理周期次数后的生物砖受压时的应力-应变曲线；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为容器，2为网架，3为排水口，4为棉质基材，5为造浪泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为制备得到有一定填充度的轻质生物砖，本发明利用棉质基材作为“培育”生物砖的生长骨架，制备过程无需使用模具，仅需利用尿素和钙盐的混合溶液作为胶结液，将棉质基材置于菌液与胶结液的溶液体系中并驱动溶液流动，生物矿化产物即可在溶液中生成并被棉质基材捕获而在其表面持续“生长”。

如图1所示，一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，包括：

在棉质基材中加入具有微生物的菌液，当微生物吸附于棉质基材表面后，在棉质基材中加入胶结液至淹没棉质基材；

在装有棉质基材、菌液和胶结液的容器内驱动菌液和胶结液循环流动，使微生物在棉质基材内矿化，矿化反应完成后排空容器内液体，即完成一个处理周期，完成N个处理周期后得到生物砖，N≥1。

进一步地，所述棉质基材的表观密度为0.05-0.10g/cm³，N为5或6。

进一步地，所述棉质基材的表观密度为0.02-0.05g/cm³，N为7或8。

进一步地，所述棉质基材的表观密度为0.01-0.02g/cm³，N为9-12。

进一步地，所述方法还包括：在棉质基材中加入具有微生物的菌液之前，利用电热丝切割机将棉质基材切割成生物砖所需的形状。并不仅限于棱柱、圆柱、互锁结构以及其他异形结构形式。

进一步地，所述一个处理周期内，加入的菌液与胶结液的体积比为1∶(4～10)。以提高菌液的利用率，避免或减少有机废液的产生。

进一步地，所述胶结液为尿素与氯化钙的混合物，其中尿素与氯化钙的摩尔比为(1-1.3)∶1。如1.0∶1、1.05∶1、1.1∶1、1.15∶1、1.2∶1、1.25∶1、1.3∶1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，较高的摩尔比有助于提高钙离子利用率。

进一步地，胶结液中氯化钙的浓度为0.5～1mol/L。

进一步地，所述棉质基材为聚氨酯绵、聚乙烯棉或木纤维素。

微生物为巴氏生孢八叠球菌、球形芽孢杆菌、科氏芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌或假坚强芽孢杆菌。

细菌效果，最好的是巴氏生孢八叠球菌，其次是球形芽孢杆菌。

关于菌液的制备：参考美国菌种保藏中心推荐的NH4-YE液体培养基(ATCCmedium：1376)，将巴氏生孢八叠球菌(ATCC 11859)接种至高温蒸汽灭菌后的培养基中，再将菌液置于120-180r/min的30±2℃恒温摇床内培养至明显混浊，测定光密度值OD600＝1.0-2.0并测定其活性；NH4-YE液体培养基含有20g/L酵母提取物，10g/L硫酸铵，10-12mg/L一水硫酸锰促进细菌孢子的繁殖，20-24mg/L六水氯化镍促进细菌产生脲酶，培养基最终用1mol/L的氢氧化钠溶液调节至pH＝8.5-9.0。

活性测定方法为：将20mL菌液加入到30℃的180mL去离子水中，利用电导率仪测定前5分钟内的电导率增长速率，若平均每分钟电导率增长量达到0.1mS/cm以上即表明菌液培养成功。

如图2所示，容器1底部的网架2，用于搁放棉质基材，容器1底部侧面带塞子或阀门的排水口3，用于排空每个处理周期后的残留溶液。

容器优选为水箱。如图3和4所示，棉质基材4(为简洁清晰地表示，未画其纹理)是均匀阵列式地搁置在水箱底部的网架上，造浪泵为多台，附图中2台造浪泵5被中心对称地固定在水箱内壁能驱动溶液循环流动，且让水流不直接冲击棉质基材。

将棉质基材置于水箱中，往基材上倒入菌液，随后倒入胶结液并最终淹没基材，水箱内中心对称地放置2台或4台造浪泵并开启造浪泵，驱动菌液与胶结液在水箱内的循环流动，可实现微生物矿化产物在棉质基材内的填充，生物矿化反应完成后，排空水箱内液体，即完成1个处理周期。总的处理周期次数由基材的纤维密集程度决定，纤维越密集所需的处理周期就越少。生物砖的强度性能目标由其密实度或填充度决定，填充度越高，生物砖的强度越高。最后进行烘干并测定填充度，即得到生物砖。

棉质基材在水箱内的摆放方式为均匀阵列式摆放，并搁置在网架上，使基材四周与溶液有良好的接触。基材除了用网架搁置以外，还可使用尼龙网吊挂方式。基材还可多层阵列式摆放，但注意的是层与层之间需留出一定间隔，以使得溶液在基材之间顺畅流动。

填充度表征方法包括直接观察微生物矿化产物在棉质基材内的填充效果，以及测定生物砖的质量增长情况，根据质量称量计算基材空隙的填充度来判断生物砖是否制备完成。

相较于传统的散体材料灌浆工艺而言，本发明的生物砖制备过程是在流动的溶液环境中进行，好处一是菌液与胶结液之间有均匀的接触；二是生物矿化产物与棉质基材也有均匀的接触，即生物矿化产物在流动溶液中可被棉质基材捕获并均匀地“生长”。本发明的生物成矿过程可控性更好，制得的生物砖均匀性更好。

实施例1

一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，包括如下步骤：

S1、棉质基材的选择与切割处理

以制备具有不同填充度的轻质生物砖为例，选用中孔聚氨酯棉，其表观密度为0.022g/cm³，利用电热丝切割刀将中孔聚氨酯棉切割成25个55mm*55mm*55mm的立方块；

S2、胶结液的制备

本实施例选用的氯化钙浓度为0.5mol/L，尿素与氯化钙的摩尔比选择1.2∶1即尿素浓度为0.6mol/L，称量388.8g尿素与599.4g无水氯化钙并溶解在清水中，定容至10.8L；

S3、菌液的制备

配制1.2L的NH4-YE液体培养基并平均分装到10个锥形瓶中，在121℃的压力蒸汽灭菌器内灭菌25～30min，待其冷却后，在超净工作台用紫外照射灭菌15～20min，随后将巴氏生孢八叠球菌接种到各个液体培养基中，最后置于150r/min的30±2℃恒温摇床内培养至明显混浊，测定其光密度值若OD600＝1.0-2.0则取出菌液待用，并用电导率法测定细菌活性；

S4、生物砖的制备

采用底部带网架的长400mm宽400mm高不少于150mm水箱作为生物矿化反应的容器，在容器底部的网架上将立方块基材按5行5列排布，容器内对称地安置2个低功率造浪泵。往基材上倒入1.2L菌液，30-60min后待细菌吸附基材表面后，倒入10.8L胶结液并淹没基材，此时菌液与胶结液的体积比为1∶9。开启造浪泵，驱动菌液与胶结液在水箱内循环流动，过段时间可见容器内出现乳白色的混浊，说明碳酸钙颗粒正大量生成，同时棉质基材的纤维表面逐渐被碳酸钙覆盖，说明棉质基材对生物矿化形成的碳酸钙晶体有很好的捕获能力，24小时后排空水箱，即完成一个周期。从第2个周期完成开始，每个周期结束便取出3个生物砖进行烘干并测定其平均填充度与抗压强度，在完成8个周期后，可得到不同填充度的生物砖，生物成因碳酸钙的密度以2.7g/cm³计。计算本实施例制备得到的不同填充度生物砖进行体积填充度并检测抗压强度，具体结果如表1所述。

如表1的测试结果所示，填充度随处理次数增加而增大，抗压强度随填充度的增加近似为指数增长趋势，还可通过改变棉质基材的纤维密集程度，获得更高填充度与更高抗压强度的生物砖。由测试结果可见，本发明方法制备得到的生物砖具有轻质的特性。

表1实施例1的生物砖性能测试结果

处理次数	填充度(％)	表观密度(g/cm3)	抗压强度(kPa)
				2	13.07	0.353	15.2
3	19.48	0.526	63.3
				4	25.99	0.702	170.5
5	30.62	0.827	329.0
				6	32.35	0.874	443.4
7	34.76	0.939	602.2
				8	38.83	0.988	802.7

对本发明制备所得生物砖进行X射线衍射(XRD)分析，结果如图5所示，可见成分为碳酸钙的2种同质多晶体，方解石和球霰石，其中球霰石会不断地自发转化为方解石，以碳酸钙为主要成分的生物砖具有良好的耐久性。

实施例2

一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，包括如下步骤：

S1、棉质基材的选择与切割处理

以制备具有韧性的轻质生物砖为例，选用纤维较密的小孔聚氨酯棉，其表观密度为0.061g/cm³，利用电热丝切割刀将小孔聚氨酯棉切割成25个55mm*55mm*55mm的立方块；

S2、胶结液的制备

本实施例选用的氯化钙浓度为0.5mol/L，尿素与氯化钙的摩尔比选择1.2∶1即尿素浓度为0.6mol/L，称量388.8g尿素与599.4g无水氯化钙并溶解在清水中，定容至10.8L；

S3、菌液的制备

配制1.2L的NH4-YE液体培养基并平均分装到10个锥形瓶中，在121℃的压力蒸汽灭菌器内灭菌25～30min，待其冷却后，在超净工作台用紫外照射灭菌15～20min，随后将巴氏生孢八叠球菌接种到各个液体培养基中，最后置于150r/min的30±2℃恒温摇床内培养至明显混浊，测定其光密度值若OD600＝1.0-2.0则取出菌液待用，并用电导率法测定细菌活性；

S4、生物砖的制备

采用底部带网架的长400mm宽400mm高不少于150mm水箱作为生物矿化反应的容器，在容器底部的网架上将立方块基材按5行5列排布，容器内对称地安置2个低功率造浪泵。往基材上倒入1.2L菌液，30-60min后待细菌吸附基材表面后，倒入10.8L胶结液并淹没基材，此时菌液与胶结液的体积比为1∶9。开启造浪泵，驱动菌液与胶结液在水箱内循环流动，过段时间可见容器内出现乳白色的混浊，说明碳酸钙颗粒正大量生成，同时棉质基材的纤维表面逐渐被碳酸钙覆盖，说明棉质基材对生物矿化形成的碳酸钙晶体有很好的捕获能力，24小时后排空水箱，即完成一个周期。每个周期结束便取样进行烘干并测定其填充度与抗压强度，在完成6个周期后，可得到不同填充度的生物砖。

对实施例2制备得到的不同填充度生物砖进行体积填充度的计算结果如表2所示。可见实施例2制得的生物砖填充度随着处理次数呈现出线性增长规律。由于实施例2选用的棉质基材的纤维密度相比实施例1更密，对生物矿化产物有更好的吸附或捕获能力，因此达到相同填充度所需的处理次数会更少。

对实施例2中经2次、4次、6次处理周期后的生物砖进行抗压试验，结果如图6所示(0次为未经处理的基材)。

表2实施例2的不同处理周期下的生物砖平均填充度

处理次数	0	1	2	3	4	5	6
								填充度(％)	0	17.79	22.23	26.85	31.56	35.91	40.35
表观密度(g/cm3)	0.061	0.523	0.633	0.747	0.864	0.972	1.082

对比实施例1，由于实施例2选用的棉质基材的纤维密集程度更小，对生物诱导生成的碳酸钙包裹作用更强，因此受压时候会不断密实，而不会出现脆性材料具有的峰值抗压强度，也就是该生物砖具有显著的韧性。由实施例1和实施例2可见，本发明方法制备得到的生物砖具有轻质的特性。

实施例3

实施例3与实施例1的制备过程除了棉质基材的表观密度不同其他均相同，实施例3中棉质基材的表观密度为0.03g/cm³。

实施例4

实施例4与实施例1的制备过程除了棉质基材的表观密度不同其他均相同，实施例4中棉质基材的表观密度为0.05g/cm³。

结合实施例1、实施例3和实施例4，可知中孔棉质基材的表观密度范围0.02-0.05g/cm³，当处理周期为7或8时，制备所得的生物砖的填充度接近40％。

实施例5

实施例5与实施例2的制备过程除了棉质基材的表观密度不同其他均相同，实施例5中棉质基材的表观密度为0.51g/cm³。

实施例6

实施例6与实施例2的制备过程除了棉质基材的表观密度不同其他均相同，实施例6中棉质基材的表观密度为0.8g/cm³。

实施例7

实施例7与实施例2的制备过程除了棉质基材的表观密度不同其他均相同，实施例7中棉质基材的表观密度为0.1g/cm³。

结合实施例2、实施例5-7，可知小孔棉质基材的表观密度范围0.05-0.10g/cm³，小孔的基材对微生物成矿晶体有更好的捕获能力，因此碳酸钙晶体的填充效率更快，当N为5或6时，即可填充至40％。由于棉质基材是柔性材料，并且对生物矿化产物碳酸钙有很好的包裹作用，受压时纤维会限制碳酸钙的剥落，起到协同抗压作用。因此可以用纤维密度较高的棉质基材制备得到具有良好韧性的生物砖。

实施例8

实施例8与实施例1的制备过程除了棉质基材的表观密度和填充次数不同其他均相同，实施例8中棉质基材的表观密度为0.01g/cm³，填充次数为12次。

实施例9

实施例9与实施例1的制备过程除了棉质基材的表观密度和填充次数不同其他均相同，实施例9中棉质基材的表观密度为0.013g/cm³，填充次数为11次。

实施例10

实施例10与实施例1的制备过程除了棉质基材的表观密度和填充次数不同其他均相同，实施例10中棉质基材的表观密度为0.016g/cm³，填充次数为10次。

实施例11

实施例11与实施例1的制备过程除了棉质基材的表观密度和填充次数不同其他均相同，实施例11中棉质基材的表观密度为0.02g/cm³，填充次数为9次。

结合实施例8-12，可知大孔棉质基材的表观密度范围0.01-0.02g/cm³，大孔棉质基材填充至40％需要的处理周期次数多于中孔棉质基材。

结合实施例1-12可知，本发明通过选用不同纤维密度的多孔基材以及控制处理周期次数来调控密实度，可用于生产更轻质、保温隔热性能更佳的生物砖。

本发明一个处理周期内，加入的菌液与胶结液的体积比为1∶(4～10)，例如1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10；通过降低菌液/胶结液的体积比，有效地提高菌液的利用率，既能节省菌液的生产成本，又能减少有机废液的产生，有更好的生态效益。本发明胶结液为尿素与氯化钙的混合物，其中尿素与氯化钙的摩尔比为(1-1.3)∶1。如1.01∶1、1.05∶1、1.1∶1、1.15∶1、1.2∶1、1.25∶1、1.3∶1，本发明通过提高尿素与氯化钙的摩尔比可有效提高原料利用率，尤其是钙源的利用率。本发明可以使用天然或人造的棉质基材，例如聚氨酯绵、聚乙烯棉或木纤维素。棉质基材是柔性材料，并且对生物矿化产物碳酸钙有很好的包裹作用，受压时纤维会限制碳酸钙的剥落，起到协同抗压作用，因此可以用纤维密度较高的棉质基材制备得到具有良好韧性的生物砖。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，其特征在于，包括：

在棉质基材中加入具有微生物的菌液，当微生物吸附于棉质基材表面后，在棉质基材中加入胶结液至淹没棉质基材；

在装有棉质基材、菌液和胶结液的容器内驱动菌液和胶结液循环流动，使微生物在棉质基材内矿化，矿化反应完成后排空容器内液体，即完成一个处理周期，完成N个处理周期后得到生物砖，N≥1；

所述方法还包括：在棉质基材中加入具有微生物的菌液之前，将棉质基材切割成生物砖所需的形状；

所述棉质基材为聚氨酯棉、聚乙烯棉或木纤维素。

2.如权利要求1所述的一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，其特征在于，所述棉质基材的表观密度为0.05-0.10g/cm³，N为5或6。

3.如权利要求1所述的一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，其特征在于，所述棉质基材的表观密度为0.02-0.05g/cm³，N为7或8。

4.如权利要求1所述的一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，其特征在于，所述棉质基材的表观密度为0.01-0.02g/cm³，N为9-12。

5.如权利要求1-4任一所述的一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，其特征在于，所述一个处理周期内，加入的菌液与胶结液的体积比为1:(4～10)。

6.如权利要求1-4任一所述的一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法，其特征在于，所述胶结液为尿素与氯化钙的混合物，其中尿素与氯化钙的摩尔比为(1-1.3):1。

7.一种生物砖，其特征在于，所述生物砖通过权利要求1-6任一所述的一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的方法制备得到。

8.一种利用微生物在棉质基材内矿化作用制备生物砖的装置，其特征在于，包括：容器、网架、排水口和造浪泵，

所述网架位于容器底部，用于放置棉质基材；

所述造浪泵的数量为多个，多个造浪泵中心对称的固定在容器内壁，用于驱动容器内溶液循环流动；

所述排水口为带塞子或阀门的排水口，位于容器底部侧面，用于矿化反应完成后排空容器内液体。