石墨烯復合材料基于比表面積大、強度高、化學穩定性好、可修飾性強以及導電性好等優點，石墨烯不僅可很好的吸附水中的有機溶劑、重金屬等污染物，還可作為催化劑載體，催化水中污染物的降解，因而作為污水處理材料被人們廣泛研究。石墨烯水處理薄膜可以用來吸附水中有機污染物，例如有機染料、烴類、原油、農藥和一些有機物質。

石墨烯不僅可以制作石墨烯電池，而且石墨烯材料在水處理領域的技術應用越來越廣泛：

在水處理中，石墨烯類碳材料除了利用其過濾的作用外，還有一個重要的作用，就是吸附。作為水處理吸附劑，可吸附三類污染物:有機物，金屬離子與無機陰離子。

石墨烯巨大的比表面積使它成為吸附劑。常見的石墨烯類碳材料除包括石墨烯和上述的氧化石墨烯外，還有還原氧化石墨烯。后兩者的制備，常用石墨經氧化還原反應制得。

氧化石墨烯除金屬離子是由于氧化石墨烯表面的環氧基、羧基、羥基等含氧基團能與金屬離子，尤其是多價的金屬離子發生絡合反應。

還原氧化石墨烯，對于陰離子染料的除率高達95%。這是因為，還原后的氧化石墨烯將表面的羰基還原成了羥基，提高了其表面電勢，對于某些陰離子的吸附能力反而更強。

石墨烯的復合材料可作為光催化劑對污染物進行光降解。這是由于石墨烯的化學結構使之具有較高的電子傳輸性能，在光電轉化和光催化應用中，將石墨烯類碳材料與光催化材料結合，在水處理中可以發揮兩種材料的協同效應。石墨烯類碳材料在復合材料中作為吸附劑、電子受體，增強了常見光催化材料對有機染料和重金屬污染物的光降解效果。