本发明涉及一种石墨烯基多级复合分离材料及其制备方法与应用，该方法具体步骤为：a)将三维多孔纤维滤材浸泡在氧化石墨烯分散液中，取出后晾干；b)再把干燥滤材的一端浸渍在聚乙烯亚胺溶液中，加热并超声处理，再将滤材清洗低温干燥；c)将滤材另一端浸渍在还原剂溶液/蒸汽中加热处理，清洗干燥后得到多级分离材料。此材料对多种类型的乳液的分离效率和渗透通量高。对由无表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂以及混合表面活性剂等稳定的乳液均有很好的分离效果，适用于所有水包油乳液的处理；该分离材料生物亲和，环境友好，易清洗，可重复利用，稳定性好。