作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”。科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。環保科研人員也興趣盎然，在這種單原子薄膜上“精工細作”，他們相信，石墨烯在潔水去污、凈化環境等方面，蘊含著巨大的潛力。

石墨烯以獨特的力學和電學特性被稱為“神奇材料”，它與水的相互作用有趣，卻也是令人困惑的：石墨烯表面排斥水分子，但當石墨烯薄膜浸入到水中時，毛細通道卻允許水分子快速滲透。石墨烯與水之間的這種“若即若離”的關系令科學家著迷。近年來，科學家一直探索著將石墨烯家族作為新型材料在水處理中加以應用。一種石墨烯衍生物——氧化石墨烯薄膜作為可用于過濾工藝的替代品，受到了大量的關注。氧化石墨烯利用環氧樹脂在氧化石墨烯側面“筑墻加固”，不僅有效地阻止了變形，還可以可精確控制薄膜的孔隙大小，阻擋鹽分隨水流過，水分子能通過這層屏障，據此過濾海水中鹽分，將鹽水變為淡水，脫鹽應用十分理想。

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優質吸附劑。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。

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。

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，有效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。

石墨烯類碳材料及其復合物在水處理領域應用、主要通過改進后石墨烯類碳材料本身的過濾作用，以及與其他功能性化合物復合，來增強材料在吸附、靜電作用、磁性、電子傳遞及還原等方面的能力，進而去除水中的污染物。總之，石墨烯碳材料及其復合材料在水處理中易于分離、環境友好的性能具有廣泛的應用前景。