石墨烯复合材料基于比表面积大、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。石墨烯水处理薄膜可以用来吸附水中有机污染物，例如有机染料、烃类、原油、农药和一些有机物质。
石墨烯不仅可以制作石墨烯电池，而且石墨烯材料在水处理领域的技术应用越来越广泛：
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。
还原氧化石墨烯，对于阴离子染料的除率高达95%。这是因为，还原后的氧化石墨烯将表面的羰基还原成了羟基，提高了其表面电势，对于某些阴离子的吸附能力反而更强。
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。