Sachverhalt:
A. X._ befindet sich seit dem 22. Juli 2010 in Untersuchungshaft. Er wird der sexuellen Handlungen mit Kindern und der verbotenen Pornografie verdächtigt. Die Haftrichterin des Bezirksgerichts Zürich verlängerte die Untersuchungshaft mit Verfügung vom 3. August 2010 bis zum 1. November 2010. Die Untersuchungshaft wird mit dringendem Tatverdacht sowie Kollusionsgefahr begründet.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen an das Bundesgericht vom 12. August 2010 beantragt X._, die Verfügung der Haftrichterin vom 3. August 2010 sei aufzuheben und er selbst sei aus der Untersuchungshaft zu entlassen.
C. Die Haftrichterin verzichtet auf eine Vernehmlassung. Die Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat beantragt, auf die Beschwerde sei nicht einzutreten.

Erwägungen:
1. Angefochten ist die Verfügung der Haftrichterin, mit welcher die Untersuchungshaft des Beschwerdeführers wegen dringenden Tatverdachts und Kollusionsgefahr verlängert worden ist. Gemäss <ref-law> beurteilt das Bundesgericht Beschwerden gegen Entscheide in Strafsachen. Ein kantonales Rechtsmittel gegen den angefochtenen Entscheid steht nicht zur Verfügung. Die Beschwerde ist nach Art. 80 i.V.m. <ref-law> zulässig. Der Beschwerdeführer nahm vor der Vorinstanz am Verfahren teil und hat ein rechtlich geschütztes Interesse an der Aufhebung des angefochtenen Entscheids. Er ist nach <ref-law> zur Beschwerde berechtigt. Das Bundesgericht kann nach <ref-law> bei Gutheissung der Beschwerde in der Sache selbst entscheiden. Deshalb ist der Antrag auf Haftentlassung zulässig. Die übrigen Sachurteilsvoraussetzungen geben zu keinen Bemerkungen Anlass und sind erfüllt. Die Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat beantragt mit Verweis auf die Untersuchungsakten und ohne weitere Begründung, auf die Beschwerde sei nicht einzutreten. Weil nach dem Gesagten indessen sämtliche Sachurteilsvoraussetzungen erfüllt sind, ist auf die Beschwerde einzutreten.
2. Die Untersuchungshaft schränkt die persönliche Freiheit des Beschwerdeführers ein (Art. 10 Abs. 2 i.V.m. <ref-law>, Art. 5 EMRK). Eine Einschränkung dieses Grundrechts ist zulässig, wenn sie auf einer gesetzlichen Grundlage beruht, im öffentlichen Interesse liegt und verhältnismässig ist; zudem darf sie den Kerngehalt des Grundrechts nicht beeinträchtigen (<ref-law>). Im vorliegenden Fall steht ein Freiheitsentzug und damit eine schwerwiegende Einschränkung der persönlichen Freiheit in Frage. Im Hinblick auf die Schwere der Einschränkung prüft das Bundesgericht die Auslegung und Anwendung der kantonalen Rechtsgrundlage frei. Soweit jedoch reine Sachverhaltsfragen und damit Fragen der Beweiswürdigung zu beurteilen sind, greift es nur ein, wenn die tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz offensichtlich unrichtig sind oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruhen (Art. 97 Abs. 1 i.V.m. <ref-law>; <ref-ruling> E. 2.5 S. 73 f. mit Hinweis).
Die Untersuchungshaft darf nach Zürcher Strafprozessrecht nur angeordnet bzw. fortgesetzt werden, wenn der Angeschuldigte eines Verbrechens oder Vergehens dringend verdächtigt wird und ausserdem ein besonderer Haftgrund vorliegt (<ref-law>/ZH).
3. Der Beschwerdeführer bestreitet einzig den allgemeinen Haftgrund des dringenden Tatverdachts.
3.1 Die Vorinstanz hat ausgeführt, der dringende Tatverdacht der sexuellen Handlungen mit Kindern und der verbotenen Pornografie stütze sich auf verdeckte Ermittlungen der Polizei, die Zugeständnisse des Angeschuldigten und die Ergebnisse der bisherigen Auswertungen der anlässlich der Hausdurchsuchungen sichergestellten Datenträgern. Die verdeckten Ermittlungen der Polizei hätten ergeben, dass der Beschwerdeführer Kontakt zu einem angeblich dreizehnjährigen Mädchen gesucht habe, sich mit diesem treffen und mit ihm sexuelle Handlungen vornehmen wollte. Aus diesem Grund habe sich der Beschwerdeführer vereinbarungsgemäss zum erhofften Treffen beim Bahnhof Wädenswil eingefunden, wo er verhaftet worden sei. Bei ersten Auswertungen einer anlässlich der Hausdurchsuchung am Wohnort sichergestellten externen Harddisk hätten Chatprotokolle festgestellt werden können, welche dokumentierten, dass der Beschwerdeführer mehrfach Kontakte mit vermutlich im Schutzalter befindlichen Mädchen hatte und er mit diesen zum Teil Treffen vereinbarte. Es seien weitere Chatprotokolle gefunden worden, welche dokumentierten, dass der Beschwerdeführer Chatkontakte mit Müttern hatte, wobei es sich bei diesen Unterhaltungen hauptsächlich um deren Töchter drehte. Anlässlich eines solchen Chats habe der Beschwerdeführer eine Mutter angefragt, ob er sexuelle Handlungen mit ihren sieben- und zwölfjährigen Töchtern ausführen könne. Im gleichen Chat habe der Beschwerdeführer angegeben, er habe schon Geschlechtsverkehr mit einem elfjährigen Mädchen sowie den Töchtern seiner Ex-Freundin gehabt. Zudem sei anlässlich der Auswertung der Datenträger Bildmaterial mit kinderpornografischem Inhalt sichergestellt worden.
3.2 Der Beschwerdeführer macht geltend, seiner Verhaftung und der angeblichen Identifizierung seiner Person liege eine unheilbare Verletzung des Bundesgesetzes über verdeckte Ermittlungen zu Grunde. Gemäss Polizeirapport sei der Verhaftung des Beschwerdeführers eine verdeckte polizeiliche Ermittlung vorausgegangen. Zwar sei der rapportierende Polizist zum verdeckten Ermittler ernannt worden und sei diese Ernennung richterlich genehmigt worden. Der verdeckte Ermittler habe sich im Chat als dreizehnjähriges Mädchen ausgegeben und mit einem User ein Treffen vereinbart, anlässlich welchem es zu sexuellen Handlungen habe kommen sollen. Dem Polizeirapport sei aber auch zu entnehmen, dass der verdeckte Ermittler im Laufe dieses Chats seinem Gegenüber eine Handynummer angegeben habe, auf welcher der Chatpartner angerufen habe. Das Telefon sei in der Folge durch eine juristische Mitarbeiterin beantwortet worden, welche nicht zur verdeckten Ermittlerin ernannt gewesen sei, geschweige denn habe eine gerichtliche Genehmigung für durch diese Person vorgenommene verdeckte Ermittlungen vorgelegen. Die Polizei habe dieses Vorgehen gewählt, um den Chatpartner mit Hilfe einer weiblichen Stimme über die Identität des sich im Chat als dreizehnjähriges Mädchen ausgebenden verdeckten Ermittlers zu täuschen.
Die juristische Mitarbeiterin habe die Voraussetzungen zur Teilnahme an einer verdeckten Ermittlung nicht erfüllt, ihre Handlungen seien aber entscheidend für den Verlauf der Ermittlungen gewesen, weil der Chatpartner ohne die Täuschung durch die juristische Mitarbeiterin kein Treffen vereinbart hätte. Folglich seien allfällige Erkenntnisse betreffend der Person des Chatpartners, allfällige Erkenntnisse aus Hausdurchsuchungen sowie allfällige Erkenntnisse aus Einvernahmen des Beschwerdeführers nicht verwertbar. Damit fehle es an jeglichen verwertbaren Hinweisen auf eine strafbare Handlung des Beschwerdeführers. Die Frage, ob der Beitrag der juristischen Mitarbeiterin als verdeckte Ermittlung im Sinne des Bundesgesetzes gewertet werden müsse, sei keine Sachverhaltsfrage, die noch irgendeiner Klärung bedürfe, sondern eine reine Rechtsfrage, die bereits jetzt beantwortet werden könne und müsse.
3.3 Im Gegensatz zum erkennenden Sachrichter hat das Bundesgericht bei der Überprüfung des allgemeinen Haftgrunds des dringenden Tatverdachts keine erschöpfende Abwägung sämtlicher belastender und entlastender Beweisergebnisse vorzunehmen. Macht ein Inhaftierter geltend, er befinde sich ohne ausreichenden Tatverdacht in strafprozessualer Haft, ist vielmehr zu prüfen, ob aufgrund der bisherigen Untersuchungsergebnisse genügend konkrete Anhaltspunkte für eine Straftat und eine Beteiligung des Beschwerdeführers an dieser Tat vorliegen, die Justizbehörden somit das Bestehen eines dringenden Tatverdachts mit vertretbaren Gründen bejahen durften. Im Haftprüfungsverfahren genügt dabei der Nachweis von konkreten Verdachtsmomenten, wonach das inkriminierte Verhalten mit erheblicher Wahrscheinlichkeit die fraglichen Tatbestandsmerkmale erfüllen könnte (vgl. <ref-ruling> E. 3c S. 146). Die Frage, ob absolute strafprozessuale Beweisverwertungsverbote vorliegen, ist grundsätzlich vom Strafrichter im Rahmen der richterlichen Beweiswürdigung zu beurteilen. Im Haftprüfungsverfahren reicht es aus, wenn die Verwertbarkeit der Beweismittel, welche den Tatverdacht begründen, nicht zum Vornherein als ausgeschlossen erscheint (Urteil des Bundesgerichts 1B_322/2008 vom 9. Januar 2009 E. 3.3 mit Hinweis).
3.4 Gemäss Art. 1 des Bundesgesetzes vom 20. Juni 2003 über die verdeckte Ermittlung (BVE; SR 312.8) hat verdeckte Ermittlung zum Zweck, mit Angehörigen der Polizei, die nicht als solche erkennbar sind (Ermittlerin oder Ermittler), in das kriminelle Umfeld einzudringen und damit beizutragen, besonders schwere Straftaten aufzuklären. Dieses Gesetz gilt auch für Strafverfahren der Kantone (Art. 2 BVE). Mangels einer klaren, abweichenden Regelung im BVE ist im Zweifelsfall davon auszugehen, dass jedes Anknüpfen von Kontakten mit einer verdächtigen Person zu Ermittlungszwecken durch einen nicht als solchen erkennbaren Polizeiangehörigen eine verdeckte Ermittlung im Sinne des BVE ist und unter den Anwendungsbereich dieses Gesetzes fällt. So ist insbesondere auch die verdeckte polizeiliche Teilnahme an der Kommunikation in einem Chat als verdeckte Ermittlung im Sinne des BVE zu qualifizieren (<ref-ruling> E. 3.7 und 3.8.1 S. 277 f.). Gemäss Art. 5 BVE kann der Kommandant eines Polizeikorps mit gerichtspolizeilichen Aufgaben eine Person mit deren Zustimmung zum Ermittler ernennen, wenn strafbare Handlungen nach Art. 4 abzuklären sind. Für die Ernennung von Ermittlern ist eine richterliche Genehmigung notwendig (Art. 7 Abs. 1 BVE). Bei strafbaren Handlungen, die von den kantonalen Behörden abzuklären sind, ist zur Genehmigung die vom Kanton bezeichnete richterliche Genehmigungsbehörde zuständig (Art. 8 Abs. 1 lit. b BVE). Solange die Ernennung nicht richterlich genehmigt worden ist, ist der Polizeiangehörige nicht rechtsgültig zum verdeckten Ermittler bestellt und darf er daher keinen Einsatz in der Form einer verdeckten Ermittlung im Sinne des BVE durchführen (<ref-ruling> E. 4.4 S. 283 f.).
Das Fehlen der notwendigen richterlichen Genehmigung der Ernennung zum verdeckten Ermittler im Sinne von Art. 7 BVE führt zu einem Beweisverwertungsverbot. Die Erkenntnisse, die ein Polizeiangehöriger durch einen als verdeckte Ermittlung im Sinne des BVE zu qualifizierenden Einsatz gewinnt, sind somit nur verwertbar, wenn der Polizeiangehörige vorgängig seines Einsatzes zum verdeckten Ermittler ernannt und diese Ernennung vorgängig des Einsatzes richterlich genehmigt worden ist. Wenn diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind, sind die gewonnenen Erkenntnisse nicht verwertbar und dürfen sie auch nicht für weitere Ermittlungen verwendet werden (<ref-ruling> E. 5.2 und 5.3.2 S. 287 f.). Nicht auseinandergesetzt hat sich das Bundesgericht in seinem Urteil <ref-ruling> mit der Frage, ob Erkenntnisse, welche durch eine nicht genehmigte verdeckte Ermittlung gewonnen worden sind, auch dann in keinem Fall verwertet werden dürfen, wenn sie auch auf andere, legale Weise hätten beschafft werden können (vgl. dazu <ref-ruling> E. 4.4 S. 331; <ref-ruling> E. 3.2 S. 132; je mit Hinweisen). Das Gleiche gilt für die Verwertbarkeit von Folgebeweisen, welche im Anschluss an die rechtswidrige Beschaffung eines primären Beweismittels an sich legal erhoben werden, wenn sie auch ohne das unverwertbare primäre Beweismittel hätten erlangt werden können (vgl. <ref-ruling> E. 4.5 S. 332 f. mit Hinweisen).
3.5 Vorliegend steht fest, dass nur für den rapportierenden Polizist, welcher sich im Chat als dreizehnjähriges Mädchen ausgegeben und mit seinem Chatpartner ein Treffen vereinbart hat, eine gerichtliche Genehmigung im Sinne von Art. 7 BVE vorlag, nicht aber für die juristische Mitarbeiterin, welche den Telefonanruf entgegengenommen hat. Dass der Beitrag der juristischen Mitarbeiterin als verdeckte Ermittlung im Sinne des BVE einzustufen ist, welche vorgängig gerichtlich zu genehmigen gewesen wäre, scheint zwar nicht ausgeschlossen. Es ist aber zu bedenken, dass ihr Beitrag an der Ermittlung im Vergleich zu demjenigen des rapportierenden Polizisten von untergeordneter Bedeutung war. Es ist im Gegensatz zur Ansicht des Beschwerdeführers prima facie davon auszugehen, dass es auch ohne den (kurzen) Telefonanruf zum vereinbarten Treffen und damit zur Identifikation des Chatpartners gekommen wäre. Auch ist nicht auszuschliessen, dass der Chatpartner auf andere Weise als durch die Vereinbarung eines Treffens und ohne den getätigten Telefonanruf hätte identifiziert und festgenommen werden können.
Sofern der Beitrag der juristischen Mitarbeiterin somit überhaupt als unrechtmässige verdeckte Ermittlung im Sinne des BVE einzustufen ist, ist in Anbetracht der gesetzlichen Regelung und der dargestellten bundesgerichtlichen Rechtsprechung keineswegs klar, ob die durch die verdeckte Ermittlung gewonnenen Erkenntnisse und die im Anschluss daran anlässlich von Befragungen und Hausdurchsuchungen erhobenen Folgebeweise im Strafverfahren nicht verwertet werden dürfen. Dies zu entscheiden ist Sache des Strafgerichts, dessen Entscheid im Haftprüfungsverfahren nicht vorzugreifen ist. Es reicht aus, dass die Verwertbarkeit der Beweismittel, welche den Tatverdacht begründen, wie vorliegend prima facie keineswegs ausgeschlossen ist. Die gewonnenen Erkenntnisse dürfen im vorliegenden Haftprüfungsverfahren daher grundsätzlich berücksichtigt werden. Anders verhielte es sich nur, wenn schon jetzt - bei einer Würdigung prima facie - klar wäre, dass die genannten Beweise einem Verwertungsverbot unterliegen.
3.6 Eine vorläufige Würdigung der durch die verdeckte Ermittlung gewonnenen Erkenntnisse und der anlässlich von Befragungen und Hausdurchsuchungen erhobenen Folgebeweise führt zum Schluss, dass die Haftrichterin das Bestehen eines dringenden Tatverdachts auf sexuelle Handlungen mit Kindern und verbotene Pornografie vorliegend mit vertretbaren Gründen bejahen durfte. Dies zumal sich der Beschwerdeführer nur zur Verwertbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse äussert, er aber nichts vorbringt, was geeignet wäre, Zweifel an der Einschätzung der Haftrichterin bezüglich des Vorgefallenen und dessen strafrechtlicher Qualifizierung aufkommen zu lassen.
4. Die Beschwerde erweist sich als unbegründet und ist abzuweisen. Der Beschwerdeführer ersucht um unentgeltliche Prozessführung und Rechtsverbeiständung. Da die gesetzlichen Voraussetzungen erfüllt sind, kann dem Gesuch entsprochen werden (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird gutgeheissen:
2.1 Es werden keine Kosten erhoben.
2.2 Dem Rechtsbeistand des Beschwerdeführers, Rechtsanwalt Thomas Heeb, wird aus der Bundesgerichtskasse eine Entschädigung von Fr. 1'500.-- ausgerichtet.
3. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, der Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat und dem Bezirksgericht Zürich, Haftrichter, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 31. August 2010
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Féraud Mattle