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。作爲水處理吸附劑，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爲優質吸附劑。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。後兩者的製備，常用石墨經氧化還原反應製得。

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，與許多溶劑有着較好的相容性，通過靜電作用、 鍵或π-π鍵與污染物結合，進而去除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。其中靜電作用是因爲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於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。

殼聚糖被認爲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，形成的複合結構，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。

例如：氧化石墨烯與殼聚糖、Fe3O4等磁性材料等結合形成複合材料，可增強材料的表面性能，進而提高吸附性能，備受關注。Fe3O4-殼聚糖-GO 複合物用於去除亞甲基藍，該類複合材料環境友好、可降解、吸附迅速和易分離等特性是其優勢所在。

還原氧化石墨烯( RGO)，對於陰離子染料的去除率高達95%。這是因爲，還原後的氧化石墨烯將GO表面的羰基還原成了羥基，提高了其表面電勢，C—OH和C—H鍵增多，去除特定結構染料分子的作用力主要通過 鍵作用，對於某些陰離子的吸附能力反而 強。

石墨烯的複合材料可作爲光催化劑對污染物進行光降解。這是由於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。石墨烯類碳材料在複合材料中作爲吸附劑、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。

TiO2 穩定、無污染，是 的光催化材料之一。 但由於光激發 TiO2 產生的電子-空穴對極易複合，而石墨烯獨特的電子傳輸特性可以降低光生載流子的複合，提高 TiO2 光催化效率。例如TiO2 /GO複合物，用以處理亞甲基藍。在紫外光和可見光下，吸附能力和光催化能力均有所提高。其原因是方面的協同作用，包括複合物比表面積的增大，染料分子和芳香環之間的 π-π 鍵作用以及亞甲基藍與石墨烯材料表面的含氧基團的作用。在光學特性方面，氧化石墨烯的加入使得Ti—O—C鍵形成，降低了TiO2的能帶間隙，也增強了對有機染料的光降解效果。