石墨烯基于比表面積大、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。石墨烯是世界上硬的材料。
 
　　石墨烯材料可以用來吸附水中有機污染物，例如有機染料、烴類、原油、和一些有機物質。
 
　　石墨烯材料在水處理領域的技術應用現狀及趨勢：
 
　　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。
 
　　氧化石墨烯擁有大量的羥基、羧基、環氧基等含氧基團，是一種親水性物質，與許多溶劑有著較好的相容性，通過靜電作用、氫鍵或π-π鍵與污染物結合，進而除去染料廢水中有機污染物。例如，在去除亞甲基藍（MB）過程中，主要是通過靜電作用和π-π鍵起作用。其中靜電作用是因為亞甲基藍表面帶正電，GO表面帶負電。
 
　　氧化石墨烯去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。
 
　　殼聚糖被認為是去除廢水中重金屬污染物有前景的吸附劑之一，但其機械強度和物理穩定性欠佳，人們研究了增強殼聚糖的性能及吸附能力的方法。氧化石墨烯與殼聚糖等吸附劑結合，形成的復合結構，具有巨大的比表面積，可增強吸附性能，是新型石墨烯材料的研究方向。