只有单原子厚度的单层石墨烯膜才能抵抗包括氦在内的标准气体的渗透[邦奇等（Bunch et al.），2008]。因此，石墨烯可作为超滤介质。石墨烯的很多应用都基于这一特性。例如：石墨烯密封的微室可用于探测小容积压力，以及化学反应、相变和光子探测过程中的压力变化。此外，石墨烯在未来还有助于通过单层原子中的原子空缺探测气体的渗透性。

另一项应用是将缺陷石墨烯膜作为超滤器的选择性屏障，以及两个不同相位的单原子厚度的物质之间特殊的隔离屏障。

根据海姆团队[奈尔等（Nair et al.），2012]的研究，氧化石墨烯可渗透水蒸气，但是不能渗透其他液体和气体。沃夫（Waugh）建议利用石墨烯的这一特性，在不使用其他任何加热蒸馏设备的情况下，在室温条件下提取伏特加。因此，除了应用于酒精饮料行业以外，石墨烯膜还能降低生物燃料的生产成本。

氧化石墨烯片可进行生物降解，因而可用于建造治理地下水的可渗透反应墙。

石墨烯虽然不渗透液体和气体，但能渗透水，这是其另一突出特性。因此，石墨烯可用作超滤介质，作为用于分子筛的屏障。(www.daowen.com)

单层独立式石墨烯中拥有纳米大小气孔的改良石墨烯，能够有效地将盐中的氯化钠和水分离[科恩和格罗斯曼（Cohen-Tanugi and Grossman），2012]。这说明石墨烯能用于海水淡化。

单层或多层石墨烯可在许多材料上形成保护膜，抵抗气体和潮湿。这对于保护工业设备不受潮湿/气体的侵蚀以长期保持其电气特性十分重要。研究显示，25层石墨烯片就能阻止90%的汞蒸气的传播。因此，食物产品包装上可涂有石墨烯片，防止在不利环境下有毒气体渗透包装而污染食物。

比尔和梅琳达·盖茨基金会（Bill and Melinda Gates Foundation）为研发用于避孕套的含有石墨烯纳米材料的新型弹性复合材料的科学家颁发了10万美元奖金。