石墨烯基于比表面积大、强度高、化学稳定性好、可修饰性强以及导电性好等优点，石墨烯不仅可很好的吸附水中的有机溶剂、重金属等污染物，还可作为催化剂载体，催化水中污染物的降解，因而作为污水处理材料被人们广泛研究。石墨烯是世界上硬的材料。
石墨烯材料可以用来吸附水中有机污染物，例如有机染料、烃类、原油、和一些有机物质。
石墨烯材料在水处理领域的技术应用现状及趋势：
在水处理中，石墨烯类碳材料除了利用其过滤的作用外，还有一个重要的作用，就是吸附。作为水处理吸附剂，可吸附三类污染物:有机物，金属离子与无机阴离子。
石墨烯巨大的比表面积使它成为吸附剂。常见的石墨烯类碳材料除包括石墨烯和上述的氧化石墨烯外，还有还原氧化石墨烯。后两者的制备，常用石墨经氧化还原反应制得。
氧化石墨烯拥有大量的羟基、羧基、环氧基等含氧基团，是一种亲水性物质，与许多溶剂有着较好的相容性，通过静电作用、氢键或π-π键与污染物结合，进而除去染料废水中有机污染物。例如，在去除亚甲基蓝（MB）过程中，主要是通过静电作用和π-π键起作用。其中静电作用是因为亚甲基蓝表面带正电，GO表面带负电。
氧化石墨烯去除金属离子是由于氧化石墨烯表面的环氧基、羧基、羟基等含氧基团能与金属离子，尤其是多价的金属离子发生络合反应。
壳聚糖被认为是去除废水中重金属污染物有前景的吸附剂之一，但其机械强度和物理稳定性欠佳，人们研究了增强壳聚糖的性能及吸附能力的方法。氧化石墨烯与壳聚糖等吸附剂结合，形成的复合结构，具有巨大的比表面积，可增强吸附性能，是新型石墨烯材料的研究方向。
例如：氧化石墨烯与壳聚糖、Fe3O4等磁性材料等结合形成复合材料，可增强材料的表面性能，进而提高吸附性能，备受关注。Fe3O4-壳聚糖-GO复合物用于去除亚甲基蓝，该类复合材料环境友好、可降解、吸附迅速和易分离等特性是其优势所在。
还原氧化石墨烯(RGO)，对于阴离子染料的去除率高达95%。这是因为，还原后的氧化石墨烯将GO表面的羰基还原成了羟基，提高了其表面电势，C—OH和C—H键增多，去除特定结构染料分子的作用力主要通过氢键作用，对于某些阴离子的吸附能力反而更强。
3.石墨烯类碳材料+光催化材料=水处理中的光反应催化剂
石墨烯的复合材料可作为光催化剂对污染物进行光降解。这是由于石墨烯的化学结构使之具有较高的电子传输性能，在光电转化和光催化应用中，将石墨烯类碳材料与光催化材料结合，在水处理中可以发挥两种材料的协同效应。石墨烯类碳材料在复合材料中作为吸附剂、电子受体，增强了常见光催化材料对有机染料和重金属污染物的光降解效果。
TiO2稳定，是好的光催化材料之一。但由于光激发TiO2产生的电子-空穴对极易复合，而石墨烯的电子传输特性可以降低光生载流子的复合，提高TiO2光催化效率。例如TiO2/GO复合物，用以处理亚甲基蓝。在紫外光和可见光下，吸附能力和光催化能力均有所提高。其原因是方面的协同作用，包括复合物比表面积的增大，染料分子和芳香环之间的π-π键作用以及亚甲基蓝与石墨烯材料表面的含氧基团的作用。在光学特性方面，氧化石墨烯的加入使得Ti—O—C键形成，降低了TiO2的能带间隙，也增强了对有机染料的光降解效果。
